LG 曾做过一个调查报告,称有 90% 以上的人会因为手机没电感到焦虑,有 41% 的人会在手机低电量时错过重要电话,而 17% 的男性则很容易因为手机没电而失约——这种现象被称为「低电量焦虑症」(low battery anxiety)。
随着手机搭载越来越多的重要功能,手机断电也成了一件大麻烦。在兼顾手机轻薄的同时,要减缓现代人的「低电量焦虑症」,那就只能尽量提高手机的充电速度了——「快速充电」(简称「快充」)技术应运而生。
包括 2017 年的三款新 iPhone 在内,主流智能手机或多或少都兼具了「快充」功能。「快充」到底是怎么一回事,怎样才能让手机充电充得更快呢?
手机充电的原理是什么?1991 年,索尼和旭化成公司联合发布了首款商用锂电池,从此,锂电池开始被广泛用于数码 3C 产品当中,手机自然也不例外。
曾在之前的文章中提及过锂电池的工作原理:
锂电池分为正极和负极,正极是锂化合物,负极主要采用石墨材料,均浸泡在电解液当中。
无论是放电还是充电,其实都是锂离子在电池的正极与负极之间移动、电能和化学能相互转换的过程。
充电时,由于电场的作用,锂离子从正极移动到负极,并存储能量;
放电时,锂离子在化学反应的作用下从负极又移动到正极,此时形成电流供电。
锂电池充电的速度,实际上就是电能转化为化学能的速率,也就是所谓「功率」(P)。简单回顾一下中学物理,众所周知:
P=IU
功率 = 电流 * 电压
电流或电压越大,功率也就越大,锂电池充电速度理应更快。但受到锂电池本身的限制,在欠压或过压的情况下充电,都会对电池产生损伤,因此锂电池的充电方式比较特殊,通常分为三个阶段:
- 恒定电流预充电(Constant Current Pre-charge Mode)
- 大电流恒定电流充电 (Constant Current Regulation Mode)
- 恒定电压充电(Constant Voltage Regulation Mode)
在手机完全没电时,充电器先通过电流较小的恒定电流对锂电池进行充电,使其慢慢恢复活性;一段时间后,充电器会加大恒定电流,并逐步提高电压,这是锂电池充电的主要阶段;电池电量在 80% 左右时,充电器会在恒定电压下慢慢减小电流的输入,直到电流低于某个临界值,此时手机显示充满电。
这样的充电流程,一般都是由手机内置的电源管理芯片进行控制的,而充电器大部分情况下仅仅是根据电源芯片的指令进行调控而已。
因此,如果要提升手机锂电池的充电速度,必须在「大电流恒定电流充电」阶段下功夫。
在功能机时代,手机对电池容量的要求不高,锂电池技术也不那么成熟,为了使锂电池充电趋于稳定,当时大部分厂商都遵循国家建议的低倍率充电标准「5V 0.2C」——即充电电压为 5V,充电电流为 0.2C(C 代表代表电池充放电的速率,当电池以 1C 的电流充电时,1 小时即可完全充满电。如果是 1000mAh 容量的电池,1C 就是指充电电流为 1A;2000mAh 容量的电池,1C 就是指充电电流为 2A,以此类推)。
但随着智能手机时代的到来,手机对电量的需求大增,低倍率充电标准已经很难满足充电的需求。而此时锂电池技术也有了较大的发展,稳定性更好,充放电的耐受性也有所提升,「快充」开始登上舞台。
什么是「快充」?
本质上,「快充」就是一种在合理范围内提高手机充电功率的技术,旨在为手机迅速补充大部分的电量。由于功率与电压和电流的大小有关,目前「快充」主要分为以下两种方案:
「快充」是一整套的充电解决方案,需要手机内置的电源管理芯片、充电线、充电器三部分共同协调,缺一不可。
iPhone 就是一个典型的反例。尽管 iPhone 8、iPhone X 都已经支持快充,但配套的充电头却是「5V 1A」的规格,满负荷时功率也仅仅只有 5W,充电效率极低。
早在 2013 年,高通就意识到了「快充」对智能手机的重要性,当时就推出了 Quick Charge 1.0 标准,通过提高输入电流来提高充电效率,让搭载骁龙 600 处理器的手机支持「5V 2A」充电。
但由于 micro USB 接口的限制,超过 2A 的电流很可能会造成损毁的情况,于是高通又想到了另一套解决方案——提高接口的电压。在把输入电流限制在 2A 以内的情况下,通过提高供电电压,同样可以达到提升功率的效果。
经过不断地改进,高通的 Quick Charge 2.0/3.0 可以实现「9V 2A」,也就是以最高 18W 的功率进行充电。
(高通 Quick Charge 的演进,图片来源:Anand Tech)
「高压小电流」快充方案启发了不少同行,联发科的 Pump Express Plus 1.0/2.0、三星的 Fast Charge、魅族的 mCharge 3.0 都是类似的解决方案。
不过,在高电压输入手机之后会有一个降压过程,此时手机内部会产生热损耗,导致发热严重。因此,不少采用这套方案的手机在亮屏时都不会激活快充,以防机身过热。
此外,由于厂商之间存在竞争关系,因此尽管快充实现原理相似,但彼此之间存在兼容性问题,因此要提升充电效率,首要的是选择兼容性好的充电器。
2014 年,搭载 VOOC 闪充的 OPPO Find 7 横空出世,充电功率达到惊人的 22W。随着 OPPO 手机的热卖,「充电五分钟,通话两小时」的广告词也深入人心,消费者开始认识到「快充」的意义。
VOOC 闪充的快充原理就是「低压大电流」策略。
由于 micro USB 接口限制了输入电流的大小,因此 OPPO 干脆将整套充电系统进行定制——充电器、充电线、手机内部电路都进行改造,并采用电池多线路充电的方法,使得 VOOC 闪存能够以「5V 4A」进行充电。
(VOOC 闪充充电器)
VOOC 闪存的好处在于,把充电过程中的发热组件基本都设置在充电器里,在实现快充的同时手机不至于过热。但缺点也比较明显,一是得配合 VOOC 闪充充电器、充电线才能使用, 二是整套解决方案成本较高,搭载 VOOC 闪充的手机价格都不会太便宜。
归根结底,手机快充的症结所在,就是那个小小的 micro USB 接口——你可能也注意到了,近年来搭载 USB-C 接口(全称 USB Type-C)的手机越来越多,实际上这就是手机接口革命的前兆。USB- C 可以说是未来接口标准的一个交点,有以下几个重要特性:
- 支持正反插拔
- 兼容 USB 3.1 标准,最快支持 10Gbit/s 传输
- 支持 USB Power Delivery 充电协议,最大可以提供 100W 的电力,并且可双向供电
- 支持 DisplayPort,可以输出音频与视频