手機快充的那點事_風聞

來源：半導體行業觀察 作者：範辰

據説2019年的新iPhone終於要拋棄祖傳的五福一安（5V/1A）的充電頭了。畢竟如果你用標配的“五福一安”給你的iPhoneXs Max充電要210分鐘才能充滿。而別人家的孩子安卓的最好成績普遍在一小時之內。

當然別人家的孩子的成績也不是一天提高的，自2013年高通推出QC快充 (Quick Charge)之後，安卓快充技術的發展便駛上了一條快車道，各類技術和標準層出不窮，手機的充電時間不斷刷新極限。在搞清快充之前我們首先要知道電池是怎麼充電的。

鋰電池充電一般經過預充電、恆流充電和恆壓充電3個階段。在預充電階段電池電壓低、活性差、內阻較大，只能接受較小的充電電流；隨着電池電壓的上升，電池活性變強，內阻變小，可以接受較大的充電電流（電池容量的70%基本上都是在恆流階段充得的）；當電池電壓上升至截止電壓附近時，系統電壓便不再上升，充電電流自動減少，直至電池充滿。

手機用檢測到的電池電壓來顯示剩餘電量，如電池電壓為4.4V時表示電量為100%，電壓為3.6V時表示電量為0%，手機自動關機。

如何實現快充？

充電時間=電池容量/充電電流*係數，縮短充電時間最直接的方法就是增加恆流充電電流。想要提高電流，充電頭的輸出功率（手機的輸入功率）就要提高。所以近年來手機充電頭的輸出功率從5W、10W、18W一路提升至，VIVO更是在9012年發佈了120W快充技術。

那麼如何提高充電頭輸出功率？

功率P=U*I，提高功率要麼提高電壓，要麼提高電流，要麼兩者同時提高。業界因此先後演化出了高壓快充、低壓快充、電荷泵快充三種方案。

1.高壓快充

2013年高通發佈QC1.0，將充電功率率先提升至9W（5V/1.8A），轉年推出進階版QC2.0，進一步提升充電功率至18W（9V/2A或12V/1.5A），從此奠定了自己在高壓快充領域領導者的地位。

高通選擇高壓快充方案其實是有原因的。在2014年前後，那時安卓手機的主流充電接口還是MicroB，而MicroB支持的最大充電電流為2A。作為一家第三方供應商，高通在MicroB接口基礎上要繼續提高充電功率就只有提高充電電壓這一條路。另外，高壓快充方案實現起來相對容易，成本提升不明顯，不用更換接口及充電線，終端客户較容易接受，符合高通作為“平台”的定位。

但高壓快充方案存在一個嚴重的問題——發熱。充電頭輸出的9V/12V電壓進入手機後會被手機中的充電IC進行二次降壓。在降低電壓提高電流的過程中，傳統BUCK類充電IC的轉換效率只有89%，能量的損耗會帶來嚴重的發熱（18W快充僅在充電IC上就會有1.96W的熱損），且這種現象會隨着充電功率的進一步提高變得更加嚴重。

2.低壓快充

“充電五分鐘，通話兩小時”，2014年OPPO推出了VOOC閃充22.5W（5V/4.5A）低壓快充技術。由於低壓快充直接提高了充電電流，不需要進行電壓的二次轉換，因此很好的解決了高壓快充發熱的問題，也使得“邊充邊玩”成為了可能。

為了解決MicroB接口無法承接大電流、傳統線材寄生電阻過大等的問題，OPPO專門為VOOC閃充定製了充電接口、充電線及充電頭。作為一家手機廠商，OPPO可以自由定義自家手機的配置，且不用考慮兼容性的問題。這也是OPPO有別於高通，推出低壓快充方案的主要原因。

雖然低壓快充很好的解決了高壓快充二次降壓帶來的發熱問題，但在繼續提升充電功率這條路上低壓快充也面臨諸多挑戰，不斷提高的電流對流經的各類元器件都是一種考驗，線材和接口的熱損會變大，整個系統的功耗也會成倍增加，相應的定製成本也越來越高。

繼續提高充電功率，高電壓和高電流看來都是必須的，而高電壓和高電流所面臨的共同敵人就是發熱，發熱的一個主要原因就在於充電IC的熱損，TI曾經做過計算，同樣的熱損下，效率增加2.5%，充電電流可以提升27%。因此提高充電IC效率就成為了快充進一步發展的關鍵。

​3.電荷泵快充

電荷泵是一種無感式DC-DC轉換器，他利用電容作為儲能元件進行電壓變換，可以使電壓減半同時使電流增倍。且其轉換效率可達到97%左右，遠高於普通充電IC的89%。這使得電荷泵在60W充電時的熱損比普通充電IC 18W充電時的熱損還要低，如此低的發熱解決了高壓快充的瓶頸，使得超高功率快充成為了可能。

另外，標準的Type-C接口支持3A的電流，而在USB PD協議下可支持最高達100W的充電功率（20V/5A），Type-C接口的大規模普及也提高了電荷泵快充的兼容性。

基於電荷泵技術，魅族在2017年MWC發佈了Super mCharge 55W快充概念機一戰成名，TI隨即推出了BQ25970這顆量產版的電荷泵。原本在40W快充上計劃使用5V/8A的華為，果斷在2018年換為10V/4A電荷泵方案，並在Mate20pro上應用。（而魅族至今由於各種原因仍未量產55W快充，其最新旗艦16s pro只配備24W快充。）

當然電荷泵也不是萬能的，其需要配合傳統充電IC與充電頭中的協議控制IC一同給手機充電。由於電荷泵一般不具備BUCK類充電IC穩壓的功能，因此預充電和最後的恆壓充電階段還是由傳統充電IC完成。而在恆流充電和恆壓充電初段，需要手機端通過USB PD協議（或私有協議）來協商充電頭輸出合適的電壓配合電荷泵進行恆流恆壓充電。當充電頭電壓調節到電池電壓的2倍時，電荷泵就能正常的進行恆流恆壓充電。40W電荷泵快充大致充電過程如下圖所示。

2019年2月，VIVO子品牌IQOO推出了進階版的44W電荷泵快充，46分鐘即可充滿4000mAh的電池。為進一步提高電荷泵在大電流下的效率，IQOO採用了兩顆BQ25970並聯分流的方式，在提高效率的同時減少機身發熱。（其實IQOO與Mate20pro充電最大功率均為36W左右，但IQOO的最大功率充電時間較Mate20pro更長，全部充滿所需時間更短。IQOO所標稱44W更多的是為了表示其與友商相比充電效率更高罷了。）

快充的核心——快充芯片

快充方案的核心在於快充芯片，以NXP的電荷泵快充方案為例，核心芯片一般包含手機端的和充電頭端兩類，具體如下圖所示。

手機端的芯片可靠性要求高，且有時會集成其他電源管理功能（如高通的充電IC是包含在高通驍龍套片中一起提供給下游手機廠商的），故各手機廠商還是會選用高通、TI等大廠的產品。電荷泵技術難度相對較高，目前市面上主要有3款產品被手機廠商採用。出鏡率最高的為TI的BQ25970，包括VIVO和華為的多款產品均採用這顆IC。其次為高通新推出的用於小米9的SMB1390，未來可能在高通平台大規模使用。再次為NXP的PCA9468,用於華碩ROG Phone。另外，包括Dialog、台灣立琦科技等多家廠商也相繼推出了各自的電荷泵芯片。對於電荷泵芯片，如何繼續提高其在大電流下的轉化率是關鍵。相信隨着電荷泵快充的普及，電荷泵芯片未來一定會成為各大電源管理廠商的必爭之地。

而對於充電頭端的芯片，各方面要求較手機端略低，對中小廠商甚至初創公司都是機會。高通手機端的芯片是包含在高通驍龍套片中，而充電頭中的協議控制IC高通會授權給符合標準的第三方廠商生產。截止目前高通已經授權了超過14家廠商的17款產品。拿到高通QC4+授權的包括Cypress、Dialog、NXP、Diodes等國際廠商，以及芯籟、耕源、鈺羣、精拓、天鈺、通嘉、昂寶、偉詮等台灣廠商。目前大陸只有英集芯一家拿到高通授權。與高通相似，OPPO的低壓快充方案在充電頭端協議控制IC也採用向第三方授權的方式。目前拿到VOOC閃充認證的包括上海南芯科技、英集芯、珠海智融科技和瑞芯微電子等。

相較於手機端與電荷泵芯片的寡頭壟斷，充電頭端芯片的百家爭鳴顯然更有看點。讓我們把上圖NXP快充方案中的充電頭放大來看，充電頭端除協議控制IC外，其餘核心器件還包括MOSFET、變壓器、PWM控制IC、同步整流控制IC等。筆者認為未來充電頭端芯片發展的趨勢有三個，一是更高的調壓精度；二是氮化鎵等功率器件的引入；三是更高的集成度。

**1.更高的調壓精度。**更高的調壓精度意味着更高的效率及更低發熱。高通在QC2.0時代還只是支持5V、9V、12V、20V等4檔調壓，到QC4.0時代，已經將電壓調節幅度細化為20mv一檔。

**2.氮化鎵等功率器件的引入。**隨着充電頭功率的不斷提升，其體積也在一直增大，如何減小充電頭體積也是快充未來發展的一個關鍵性問題。而體積減小的答案就在於氮化鎵等功率器件及高頻平板變壓器的引入。氮化鎵MOSFET頻率可達500K-1MHz，較原有硅基MOSFET頻率提高5-10倍。更高的頻率使得在充電頭中體積佔比較大的電容可以成倍縮小，同時氮化鎵更高的效率大幅減少了發熱，配合體積更小的高頻平板變壓器可以把44W的充電頭縮小至傳統5W或10W充電頭差不多的體積，從而極大的提升快充充電頭的便攜性。

**3.更高的集成度。**更小的體積必然意味着更高的集成度。在IQOO的44W充電頭中採用的台灣立錡科技的協議控制IC已經整合了同步整流控制IC。集成協議控制IC、同步整流IC、氮化鎵MOSFET、PWM控制IC及平板變壓器的方案可能會出現。PI（Power Integrations）在近日發佈的LYTSwitch™-6系列LED驅動IC中同時將初級開關、初級和次級控制器以及檢測元件和替代光耦的FluxLink集成到了單個IC中。未來類似的高集成度方案極有可能出現在手機上。

手機快充的極限在哪裏？

上文提到，快充的核心在於提高恆流充電時的電流，手機電池能夠接受的充電電流是存在極限的。這裏要引入一個電池充放電C率的概念。對於一個4000mAh 3C的電池（目前旗艦手機普遍採用的電池），其允許的最大充電電流為4000mA*3=12A，對應理論最大充電功率為60W。但是實際上，經常以最大充電電流進行充電也會加速電池的老化，減少使用壽命，因此IQOO的44W已經接近3C電池的極限了。

如果想要繼續提高功率縮短充電時間，要麼採用更高C率的電芯，要麼就是上雙電芯方案（如OPPO的Super VOOC閃充）。VIVO在今年發佈的Super Flash Charge概念機中便是綜合了上述方法。其採用6C雙電芯串聯方案，最大充電功率可達120W，5分鐘充電50%，13分鐘即可充滿一部4000mAh的手機。

蘋果在2019年終於要標配快充了，但這僅僅可能只是一個開始。