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手機(jī)快充技術(shù)全面來襲,該如何選擇合適的充電方案
發(fā)布時間:2016-02-06 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】隨著智能手機(jī)的普及和用戶對手機(jī)使用續(xù)航時間需求的提高,在受限于鋰電池技術(shù)無法取得突破而做大能量密度的情況下,智能手機(jī)電池快速充電技術(shù)使用戶在短時間內(nèi)快速補(bǔ)充電量,從而使手機(jī)的續(xù)航時間得與延長,比如半小時內(nèi)可以充滿75%的電量,讓用戶輕松獲得足夠電池電量。
當(dāng)快沖技術(shù)全面來襲,我們該如何為產(chǎn)品選擇合適的充電方案?是擺在產(chǎn)品設(shè)計師和產(chǎn)品經(jīng)理面前的一道命題。悉數(shù)市面上的產(chǎn)品,快充技術(shù)大致有四種,即高通的QuickCharge版(如QC2.0、QC3.0),聯(lián)發(fā)科版(Pump Express和Pump Express plus),OPPO 的VOOC,以及TI的Maxcharge(實(shí)際上它同時兼容了高通QC2.0版和聯(lián)發(fā)科Pump Express協(xié)議)。也有人說快充技術(shù)是5種、6種、甚至7種,但在目前也就上面這四種,是在原有USB 5V充電技術(shù)上有所突破的技術(shù),具體請看文章后面的詳細(xì)解釋。
常規(guī)USB 5V充電技術(shù)的瓶頸,充電環(huán)路示意圖如圖-1,充電環(huán)路阻抗約0.32Ω,那對于4.2V和4.35V電池最大充電電流有以下公式:
(5-4.2)/0.32=2.5A (5V input source, Battery CV=4.2V)
(5-4.35)/0.32=2.03A. (5V input source,Battery CV=4.35V)
因此,手機(jī)的常規(guī)充電方式,無法再提高充電電流,不能滿足現(xiàn)在手機(jī)電池越來越大后,對大充電電流的要求。
一、高通QC版快充技術(shù)
這是一個市面上采用較多的快充技術(shù),小米4C,小米note,三星等主流品牌均在采用此充電技術(shù)。這與目前高端智能手機(jī)所采用的平臺有相當(dāng)關(guān)系。另外,這種技術(shù)相對簡單,實(shí)現(xiàn)起來相對容易,成本提升不明顯,市場較容易接受。高通QC充電技術(shù)有兩個版本,分別是QC2.0和QC3.0,現(xiàn)在QC3.0的手機(jī)還很少,普遍還是QC2.0。
快充技術(shù)的原理,通過USB端口的D+與D-的不同電壓給合,來向充電器申請相應(yīng)的輸出電壓供手機(jī)充電。QC2.0并不是簡單的D+與D-的組合就可以讓充電器輸出所需的電壓,而是還有一些協(xié)議在里面,需要先發(fā)送握手信號,比如1.5s的握手電壓組合,才能進(jìn)行下一步的輸出,否則,直接按圖-4將D+與D-電平設(shè)置好是不會改變充電器的輸出電壓的,這也是為了更好的保護(hù)非QC2.0技術(shù)的手機(jī),不會因?yàn)檎`觸發(fā)了充電器的升壓機(jī)制而燒毀手機(jī),圖3是QC2.0充電器原理圖的調(diào)壓部分。
高通QC2.0 握手協(xié)議:
快充的充電器與手機(jī)通過micro USB接口中間兩線(D+D-)上加載電壓來進(jìn)行通訊,調(diào)節(jié)QC2.0的輸出電壓。握手過程如下:當(dāng)將充電器端通過數(shù)據(jù)線連到手機(jī)上時,充電器默認(rèn)通過 MOS讓D+D-短接,手機(jī)端探測到充電器類型為DCP(專用充電端口模式)。此時輸出電壓為5v,手機(jī)正常充電。 若手機(jī)支持QC2.0快速充電協(xié)議,則Android用戶空間的HVDCP進(jìn)程將會啟動,開始在D+上加載0.325V的電壓。當(dāng)這個電壓維持1.5s 后,充電器將斷開D+和D-的短接, D-上的電壓將會下降;手機(jī)端檢測到D-上的電壓下降后,HVDCP獲取手機(jī)預(yù)設(shè)的充電器電壓值,比如 9V,則設(shè)置D+上的電壓為3.3V,D-上 的電壓為0.6V,充電器輸出9v電壓。
快充技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是,很好地解決常規(guī)手機(jī)充電電流的限制,由于充電器輸出電壓的提高,手機(jī)充電環(huán)路的阻抗限制的充電電流的問題得到了很好地解決,缺點(diǎn)是,效率仍不是很高,在手機(jī)端發(fā)熱量還比較大。
隨著高通QC3.0的發(fā)布,很好的彌補(bǔ)了QC2.0效率偏低的問題。
充電速度是傳統(tǒng)充電方式的四倍,是Quick Charge 1.0的兩倍,比Quick Charge 2.0充電效率高38%。Quick Charge 3.0采用最佳電壓智能協(xié)商(INOV)算法,可以根據(jù)掌上終端確定需要的功率,在任意時刻實(shí)現(xiàn)最佳功率傳輸,同時實(shí)現(xiàn)效率最大化。另外,其電壓選項(xiàng)范圍更寬,移動終端可動態(tài)調(diào)整到其支持的最佳電壓水平。具體來說,Quick Charge 3.0支持更細(xì)化的電壓選擇:以200mV增量為一檔,提供從3.6V到20V電壓的靈活選擇。這樣,你的手機(jī)可以從數(shù)十種功率水平中選擇最適合的一檔。
二、聯(lián)發(fā)科Pump Express快充技術(shù)
與高通QC2.0雖在實(shí)現(xiàn)方式上有所不同,卻有異曲同工之妙。高通QC2.0是通過USB端口的D+和D-來個信號實(shí)現(xiàn)調(diào)壓,而聯(lián)發(fā)科的Pump Express快充技術(shù),是通過USB端口的VBUS來向充電器通訊并申請相應(yīng)的輸出電壓的。QC2.0是通過配置D+和D-電壓的方式來通訊,Pump Express是通過VBUS上的電流脈沖來通訊,但最終的目的是提升充電器的電壓到5V,7V,9V。
快充技術(shù)的VBUS電流與VBUS電壓波形如圖-5:
快充技術(shù)充電器原理圖,及原理簡介
快充技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),與QC2.0相似,由于提高了充電器的輸出電壓,解決了充電電流的限制。同時缺點(diǎn)也與QC2.0類似,由于充電器的調(diào)壓檔跨度比較大,帶來手機(jī)端充電路效率偏低。于是,MTK Pump Express Plus快充技術(shù)隨之誕生,Pump Express Plus技術(shù)與高通QC3.0類似,增加了調(diào)壓檔數(shù),每檔200mV。手機(jī)可以根據(jù)電池當(dāng)前電壓以及充電環(huán)路衰減,向充電器申請合適的電壓,以達(dá)到以電效率的最大化,以進(jìn)一步降低手機(jī)在充電過程中的發(fā)熱量。
三、OPPO VOOC閃充技術(shù)
OPPO稱自己研發(fā)的快充技術(shù)為“ VOOC閃充技術(shù)“,也是最神秘的快充技術(shù),目前只有OPPO的幾款產(chǎn)品在用,即Find 7和N3等,由于OPPO對此技術(shù)有專利限制,其它手機(jī)廠商只能嘆為觀止,且成本相對較高,充電器體積較大,便攜方面沒有其它快充技術(shù)的好。
OPPO的VOOC閃充技術(shù)與傳統(tǒng)充電最大的區(qū)別在于,創(chuàng)新性的將充電控制電路移植到了適配器端,也就是將最大的發(fā)熱源 移植到了適配器。這樣控制電路在適配器,而被充電的電池在手機(jī)端,充電時手機(jī)發(fā)熱得以很好的解決。為了更好的對充電流程進(jìn)行控制 (比如控制電路需要實(shí)時監(jiān)測電池電壓、溫度等),OPPO特別在適配器端加入了智能控制芯片MCU,適配器端實(shí)現(xiàn)了充電控制電路,智能控制充電的整個流程。
閃充技術(shù)的官方宣傳圖片:
8個觸點(diǎn)的電池
大個頭的充電器
四、TI的maxcharge技術(shù)
TI的maxcharge技術(shù)是將高通QC2.0和聯(lián)發(fā)科的Pump Express,以及TI自身的高性能充電管理做了一次整合,比較有代表性的方案有BQ25895,其最大充電電流可達(dá)5A,最大輸入電壓14V,可以很好地支持QC2.0和Pump Express標(biāo)準(zhǔn)的充電器。我們對TI提供的BQ25890 demo板實(shí)測,在4A充電時,芯片溫度達(dá)55度左右(在環(huán)境溫度25度下測試),差不多有30度的溫升,這如果放在手機(jī)內(nèi)部,將會是一個重要的熱源。
TI的maxcharge充電芯片的簡易原理圖,
TI的maxcharge充電芯片的簡易原理圖
BQ25890 Demo板實(shí)測
TI的maxcharge充電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),由于同時兼容高通QC2.0和聯(lián)發(fā)科Pump Express技術(shù),因此也就同時具備了QC2.0和聯(lián)發(fā)科Pump Express的優(yōu)化點(diǎn)。它缺點(diǎn)也和高通與聯(lián)發(fā)科一樣,整體的效率還不是很高,因此發(fā)熱量較大。
鑒于手機(jī)充電部分的發(fā)熱問題,短時間QC3.0和Pump Express plus還未普及,那么我們是否還有其它方案來減小手機(jī)充電發(fā)熱量呢?答案是肯定的。我們用兩顆充電芯片同時對一顆電池進(jìn)行充電,可以減少單獨(dú)充電芯片的發(fā)熱量。圖-12是雙充電芯片原理圖,圖-13是BQ25890+BQ25896雙Demo實(shí)測,設(shè)置兩顆充電芯片的充電電流都為2A,總共4A對電池充電,充電30分鐘后,測到兩個芯片的溫度分別為42度和40度,室溫為25度,芯片溫升分別為17度和15度,比單芯片充電方案的溫升降低了一半。因此,雙充電芯片方案對提高充電效率,減少手機(jī)充電發(fā)熱方面具有很大的優(yōu)勢。
雙充電芯片原理圖
BQ25890+BQ25896雙Demo充電實(shí)測
充電過程曲線
五、充電方案的選擇
面對上述充電方案,我們要如何選擇呢?
成本,效率,發(fā)熱量,便攜性,專利,等均需要考慮。首先,OPPO的VOOC閃充技術(shù)在成本,以及充電器便攜性方面肯定是不占優(yōu)勢,加之其有專利方面的限制,其它廠商在沒有獲得OPPO授權(quán)的情況下,不可能采用此方案。高通和聯(lián)發(fā)科雖然各自也有專利,但暫時還未向使用者收費(fèi),且在成本與充電器便攜性方面更具有優(yōu)勢,我們不難看出,在接下來的一段時間里,快充方案的選用方面,TI芯片將具體更靈活的選擇性。
電池在快充技術(shù)發(fā)展過程中,起著舉足輕重的作用,電池充電倍率的高低,直接影響充電的速度。目前手機(jī)上常用的電池充電倍率有:0.5C,0.75C,1C,1.5C等。比如一個電池只有1000mAh的項(xiàng)目,客戶要求支持快充,這時我們需要分析,客戶要求支持快充的目的是什么?只是要有這個噱頭?還是需要縮短充電時間?如果是前者,那只需要硬著頭皮加上快充方案即可,其本質(zhì)和不帶快充的方案沒有多大差別(除了成本有所提高),如QC2.0在9V時可輸出1.5A以上,電池端的電流可以達(dá)到2.5A以上,對于1000mAh的電池來說,如果是目前較好的手機(jī)高倍率電池1.5C,也只需要1.5A的充電電流,那么換算到充電器端,充電器只需要在9V電壓時輸出0.75A左右即可,如果在5V電壓時,則只需要輸出1.4A左右也能滿足,因此,這個項(xiàng)目只需要選擇更高倍率的電池即可,而不需要采用快充技術(shù),亦能滿足項(xiàng)目對充電的需求。若一個項(xiàng)目的電池是4000mAh,2A充電電流僅為0.5C,如果采用3A的快充方案,也只能達(dá)到0.75C,充電時長約需約2.5小時,如果是支持1C充電的電池,采用4A充電,則充電時間可縮短到約1.5小時。
電池充電倍率與充電時間的大致關(guān)系如下表:
以上是我們對當(dāng)前快充方案和雙充電IC的總結(jié),總而言之快充方案的選擇,是一個綜合性的技術(shù)方案選擇,它具有水桶效應(yīng)。我們要根據(jù)項(xiàng)目需求,合理地選擇,希望以上的技術(shù)分析內(nèi)容,能夠給未做過快充方案的同行工程師一些參考信息,同時也希望看到更多的工程師能在快充技術(shù)上取得新的進(jìn)展,給手機(jī)用戶更好的體驗(yàn)。
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