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一小时充满超给力 快充到底伤不伤电池?
2017年02月21日 15时03分 作者:充电头网 编辑: 杨玉斌

 

  手机的体验好坏受到很多因素的影响。其中一点就是能量问题。手机的能量来自于电池,电池性能直接影响手机的使用时间。除了电池性能本身,手机的使用方式也影响手机电池性能对手机体验的影响。

  10年前常见的诺基亚 智能机或MTK功能机,1000mAh左右的电池足以保证这些手机一天以上的使用。300-500mA的充电电流足以让这些手机以较为合理的速度充电。采用标准的USB供电或者专用线充已经能够满足这些手机充电的需求。

  5年前, Windows Mobile智能机和早期安卓智能机,电池容量增加到了1500mAh左右。这时出现了USB BC1.1协议,提供了DCP(专用充电端口模式)利用USB的数据引脚对充电器进行识别和区分,从而将标准USB端口的500mA电流扩展到1.5A,满足了这些设备的充电需求。

  时代在变迁,大屏幕的智能手机的耗电达到了一个新的高度。人对于手机的依赖程度也远远超过了10年前。如今,手机已经成为人与世界沟通(包括但不限于上网、通话),与自己内心沟通(包括游戏等)的工具。手机实际使用的时间比率大大提高了。这对手机电池能量提出了极高的要求。同时手机设计趋向轻薄,不支持快速更换电池,能量输入完全依赖充电、数据端口来进行。

  然而,手机的充电端口大小非但没有任何增加,反而朝着不断微型化的方向发展。端口电接触面积的减小,随之而来的是接触电阻的增加和散热能力的下降,这使得端口能够通过的电流降低。

  端口的输入功率=输入电压 x 输入电流。由此可知,端口电流容量降低与端口输入功率的提高之间的矛盾,可以通过提高端口输入电压来解决,这就是高通QC2.0/3.0 HVDCP(高电压专用充电端口)诞生的初衷。值得一提的是,USB 3.1 PD和MTK PUMPEXPRESS PLUS也运用了同样的解决方法。

原理浅析

  在谈及QC快充的硬件实现之前,我想提一提我前一段时间在网上看到的关于QC快充的评论。有不少文章有这么一个说法:QC所采用的高电压充电对于手机电池有害。在我看来,这种说法的存在正是由于对手机内电路如何完成电池充电过程的不了解造成的。因此,下面的这个部分不仅介绍QC如何由硬件实现,也介绍其他手机如何完成电池充电。

  手机机内的电池充电电路,按功能可以分为两个部分加以介绍(但不代表这两个部分在物理上是分离的,事实上,两个电路常在同一个集成电路中实现)。

1、测量-反馈控制部分

  负责监测电池充电的关键参数(例如电池充电电流、电池当前电压、电池温度),根据预先设定好的电池充电算法,调节如充电电流等参数,或者关断充电。手机充电电路的测量和反馈控制部分,通常可以通过软件编程来调节某些参数。甚至有些手机充电的测量、反馈控制部分大部分功能都是由软件来完成。大多数手机对锂电池充电的控制算法都是基于恒流——恒压过程或者其变种。恒流恒压充电的过程,大体上是这样的,首先在电池低于其充电限制电压(以往手机是4.2v,现在常见4.35V,偶见4.40V)时,以一个恒定电流对电池充电。

  这个恒定电流的大小与电池容量的比值(称为充电电流倍率)与手机电池充电速度关系密切。要提高手机的充电速度,提高充电电流倍率是一个有效的手段。但是手机电池对充电电流倍率的接受能力有限,过大的充电电流倍率会导致手机电池的循环衰减增加,甚至有可能导致电池安全问题。目前大多数手机电池可以接受0.5-1倍的充电电流倍率。比如对3000mAh的手机电池,0.5-1倍的充电电流倍率就对应着1500mA-3000mA的充电电流。通过优化电池结构和配方,可以让电池接受更大的充电电流倍率。就目前的情况来看,手机电池的充电电流倍率上限通常不是手机充电速度的瓶颈。

  当电池通过恒定电流充电达到电池的充电限制电压后,通过逐渐减小充电电流来维持这个充电限制电压不变。因为锂离子电池电压除了随电池充满度提高而上升外,充电电流越大,电池的电压也越高,因此在充满度不断提高的情况下,减小充电电流可以让电池电压维持恒定,这就是恒压过程。当充电电流减小到预定值后,充电电流会关断,充电即告完成。

2、电压电流变换部分

  这部分电路的功能是将从手机充电端口得到的电能,在测量、反馈控制部分的控制下,转换为电池的充电电流。由于手机充电端口输入的电压通常是5V、9V之类的电压,与电池电压(3.0V-4.35V,随电量和充电电流发生变化)并不匹配,因此需要进行变换。正是由于这个变换过程,高电压充电影响电池寿命这个说法才是非常荒谬的。因为决定手机电池充电电压、电流的是测量、反馈控制部分预先设定好的充电程序。输入电压高一点或者低一点,只要还在电压电流变换部分允许的范围内,都会由电压电流变换部分变换成程序设定好的值。

电压电流变换电路的类型,有以下三种:

(1)线性变换电路。

  其实质,是一个由测量、反馈控制部分调控的可变电阻。通过电阻将充电器电压高于电池电压的部分,通过发热的形式消耗掉。举例说明,比如当充电端口输入的电压是5V,电池电压是3.7V,需要1000mA的充电电流。那么让可变电阻的阻值刚好为1.3Ω即可满足。这个可变电阻的阻值只要能够不断变化,就能够完成恒流恒压的全过程。由基尔霍夫定律可知,这个电路的输入电流等于输出电流。因此,提高输入电压对于这个电路来说,只会使更多的输入功率通过电阻耗散掉,而不会提高电池的充电功率。此外,这个电路的发热功率是(输入电压-电池电压)×充电电流。当充电电流很大的时候,发热功率也很大。因此,这种电路不适用于现在需要大电流充电且空间有限的手机充电。 这也就是高压快充发热大,部分手机厂商开始采用低压大电流快充的原因。


线性变换电路

(2)开关变换电路。

  这种电路的结构图如下图所示。利用高速开关的S1(通常由MOSFET来实现)和电感来使输入电压降低到电池电压。并在测量、反馈控制部分调控下控制充电电流。这个电路的输出电流和电压与输入电流和电压的关系可以能量守恒定律求得:输入电压×输入电流×效率=输出电压×输出电流。现在新型手机中,这个效率可以达到90%以上。正是利用了这种开关变换电路,QC2.0能将输入的高电压和较小的电流转换为电池的电压和较大的充电电流。


开关变换电路

  举例说明:电池电压为3.7V。需要2A电池充电电流。充电电路效率90%,忽略其他电阻造成的压降。输入端口电压为9.0V,则输入端口通过的电流需要:3.7V*2.0A/90%/9.0V=0.91A,可见QC快充通过提高输入电压确实能够有效降低输入端口的电流。

(3)将恒流电路置于专用充电器的设计

  这种电路可见于早期的小灵通、摩托罗拉 某些型号智能机中。Oppo的VOOC超快充电也可能采用了这种设计。其原理是将恒流电路置于专用的恒流充电器中而非手机内。手机内仅有控制电路通断的电子开关(MOSFET)。当开关接通后,充电器直接与电池连接,依靠充电器中电路来调节输出电压和控制充电电流。当然,充满停充的功能由手机内部电路控制电子开关完成。这么做的优点在于手机内电路较为简单,且不需要在手机内部发热消耗多余的电压。缺点是需要专用充电器。(当年MOTO采用这种设计的智能机若是改用较大电流的USB充电器,就会烧坏内部电子开关,造成手机故障)

3、高通QC 握手协议

  QC 快充的充电器与手机通过micro USB接口中间两线(D+D-)上加载电压来进行通讯,调节QC的输出电压。握手过程如下:当将充电器端通过数据线连到手机上时,充电器默认通过MOS让D+D-短接,手机端探测到充电器类型为DCP(专用充电端口模式)。此时输出电压为5V,手机正常充电。 若手机支持QC2.0快速充电协议,则Android用户空间的hvdcp进程将会启动,开始在D+上加载0.325V的电压。当这个电压维持1.25s后,充电器将断开D+和D-的短接, D-上的电压将会下降;手机端检测到D-上的电压下降后,hvdcp读取/sys/class/power_supply/usb/voltage_max的值,如果是9000000(mV),设置D+上的电压为3.3V,D-上 的电压为0.6V,充电器输出9v电压。若为5000000(mV)设置D+为0.6V,D-为0V,充电器输出5V电压。

4、QC充电实战

  这里我们使用的是USB表,直观测试QC2.0充电器电压识别改变过程。插入USB接口可以检测到用于侦测QC2.0信号的D+ D-电压,同时还能显示输入输出的电压、电流。内置库仑计,精度可达万用表级别。

  开机通电,插手机之前:DCP模式,只不过有下拉电阻存在所以电压比较低,但两路电压基本相同。


开机通电,插手机之前为DCP模式

  插入手机后的一瞬间,手机会在D+上加0.6V的检测电压,因为此时D+D-短路的所以D-电压也跟随变高。


插入手机一瞬间

  D+上的申请电压维持超过1.25秒后,充电器会把D+和D-的短路断开,D-变成0,D+还是手机给的识别电压。


D+、D-断开

  手机检测到D-变成0,说明充电器支持QC2.0,发送改变电压的申请。


D-变为0,电压升高

  至于充电器输出多少电压给手机,参看这个表格。需要留意的是,所有0.6V代表0.325-2.000V ,所有3.3V代表大于2.000V,在此范围内即可正确申请QC2.0握手协议。




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