手机充电技术发展史

随着科技的发展,智能手机的性能愈发强大,普及度也是越来越高,而它在我们的日常生活中的地位更是水涨船高。但是在电池技术没有什么突破性发展的今天,续航成了所有手机不得不提的一项参数,而充电作为其中不可或缺的一环,也是被各大手机厂商不遗余力地进行宣传。今天小七就带大家来简单了解一下手机充电技术的发展史。

1、充电知识

在继续后面的故事之前,我们需要先补充一点基础的充电方面的知识。

1.1 知识点一:充电的电压以及发热

目前大多数手机使用的电芯都是单锂或者多并锂组成,电芯工作电压在3.0V4.4V之间,均压平台3.6V-3.8V。当进行充电行为时,电能进入手机后通过手机内的降压电路处理后再输出3.34.5V左右的电压给电池充电。而这个电压转换压降过程,就是由手机内的充电管理IC模块负责。
这个电压转换压降过程会产生发热,电压差距越大产生的热量会越多。

▲图为充电器工作原理示意图

1.2 知识点二:充电的电流以及功率

手机充电时的电流并不是一直不变的。优秀的充电方案应该是手机需要多大的功率,充电器就给多大的功率,而不是手机只能被动地接受充电器一成不变的功率。
当手机处于低电量的时候,手机会要求充电器火力全开,这就是所谓的充电峰值。在这个时候充电速度非常快,但是损耗和发热也很大。
充电时,随着手机电量的上升,充电的功率往往是逐渐下降的。当手机的电量充到60%~80%的时候(具体看手机厂商的设定),充电电流会减小,以达到减少电池损耗和手机发热量等目的。
在后面这个阶段,电流往往只有几百毫安甚至更小,充电的功率也很小,也就是我们常说的涓流充电。
需要注意的是,涓流充电是大功率充电时代的产物,对于5V/500mA的充电器是没有涓流充电这么一说的。(电流本来就很小)

下面开始正文,本文分为“史前”时期、初露锋芒、快充现世、高低之争和一统天下五个部分。

2、“史前”时期

我们先来说一下当年功能机还统治着地球的时期,比较早期的充电器和现在的充电器主要有三个比较明显的区别:

  • ① 以前的充电器并不像现在这样数据线和适配器(充电头)分开,而是一体的,也就是充电头连着数据线;
  • ② 以前的充电器功率其实很小,一般都是5V/500mA,也就是2.5W(瓦)的功率;
  • ③ 以前的充电器单纯只能充电,而现在负责的充电器把数据线拔下来接到电脑上还可以进行数据传输(同时也能充电)

▲图左为老式一体充电器(黑),右为新式分体式充电器(白)

注:此处并非指分体的充电器要优于一体的充电器,实际上两者各有优劣

为什么当时的充电器功率这么小呢?主要原因有两个:

  • ① 手机相对功能少,耗电少,因此电池也小(大多数是几百毫安时/mAh),不需要太大功率的充电器;
  • ② 大功率的充电器制造难度大,成本高,在当时的环境下显然不划算;

但是随着手机的发展,尤其是安卓手机的崛起,手机功能也开始增多,耗电量也开始增大,电池容量也开始突飞猛进,到了动则上千毫安时的时代。这个时候如果还是继续使用着5V/500mA的充电器,那么就会出现充电非常慢,而且会出现边充电边玩手机,电量还是越来越少的这种”入不敷出”的情况。

在智能手机萌芽的时候,USB接口在手机上也随之普及开来。而手机充电技术的变革,就从这里开始了。

3、初露锋芒

比较早开始出现的充电标准是USB BC 1.2(BC是Battery Charge的简称)。

USB规格第一次是于1995年,由Intel(英特尔)、NEC(日本电气株式会社)、Compaq(康柏)、DEC(美国数字设备公司)、IBM(国际商业机器公司)、Microsoft(微软)、Northern Telecom(北方电信公司)等七家公司组成的USB IF(USB Implement Forum)共同提出。

BC 1.2的出现,让同时进行充电和数据传输成为了主流。

USB BC1.2标准由USB IF协会于2010年颁布,指的是可直接为关闭的便携式设备电池充电,成为建立通过USB端口为电池充电的正确方式的关键标准。

说白了,BC1.2就是可以给包括手机在内的便携式设备使用USB接口充电(包括关机充电)的一套官方标准。

BC 1.2出来之前,除了日渐强大的只能手机,诸如数码相机、DV等便携式设备也开始逐渐受到人们的青睐。这些便携式设备与电脑之间的数据交换也变得频繁了许多,因此,USB接口在这些设备上开始普遍起来。

尽管USB接口出现的目的是为了传输数据和连接诸如键盘鼠标的设备而并不是充电,但是在这时候,如果能使用USB接口给这些设备充电,那么就会方便很多,USB BC 1.2也就应运而生了。

目前市面上主流的USB接口可以分为USB 2.0和USB 3.0两种,其中两者的电压都是5V,而电流方面USB 2.0为500mA,USB 3.0为900mA。

注:

  • ① USB 3.1 gen1其实就是USB 3.0(最大传输速率仍然是5Gb/s),而USB 3.1 gen2才是升级版,最大传输速率可达10Gb/s,最大输出电压/电流可达20V/5A);
  • ② 传输数据的USB 2.0的线缆中只有四根线,充电的MicroUSB 2.0线缆中有五根线,而USB 3.0中升级为了九根线;
  • ③ 常见的USB分线器/集线器/HUB等可以将一个USB接口分出多个USB接口的设备,在没有独立外接电源的情况下,很有可能因为给每个USB接口提供的电流不足而导致连接在该USB接口上的设备无法正常使用甚至是损坏,因此大家在使用这类产品的时候一定要小心。

USB BC 1.2最大的功劳就是使得USB充电的最大电流能够达到1500mA也就是1.5A,尽管它没有提升电压(因为要适配其他便携设备),但是将电流提升到1.5A之后,USB接口充电的最大功率就能够达到7.5瓦(W),这个时候的USB BC 1.2已经足够应付当时的手机充电了。

USB BC 1.2的出现不仅使得当时的USB充电规范混乱的场面得到了规范,而且它对于集线器/分线器/HUB也有着很好的支持,特别需要注意的是,为了保证每个接口能有足够的电流,支持BC 1.2的集线器/分线器/HUB往往都需要外接电源。

▲图为USB BC 1.2工作方案

前排提示:千万不要小看USB IF协会哦

4、快充现世

尽管USB BC 1.2标准已经能满足当时的充电需求,但是科技的发展是无止境的。随着智能手机的发展,对充电的速度再次提出了更高的要求。而就在这个时候,发布USB BC 1.2标准的USB IF协会居然没有给出一套可行的解决方案,而这就为后来的快充标准大混战埋下了伏笔。

到了2013,高通大佬就出场了。当时高通一拍桌子,振臂一呼:同志们,跟着我有肉吃!它率先突破了USB IF协会关于USB BC 1.2标准中的1.5A的最大电流限制,将其提升到了2A也就是10W的功率(5V/2A),充电速度大幅提升。

这就是高通的QuickCharge快充1.0版本,也就是QC 1.0快充。

了解高通的同学应该都知道,高通在手机芯片和通信专利方面可谓是一方巨擘,而凭借着这个霸主级别的地位优势,高通可以迅速推广自己的QC快充标准。然后,就可以坐着收QC标准的授权费。

而到了2014年,情况就有些不一样了,这个时候虽然Type-C的数据线已经面世,但却还没有普及,手机上依旧还使用着MicroUSB 2.0接口的数据线(也就是大家常说的安卓线)。前面我们已经提到了,由于MicroUSB 2.0的数据线内部只有四根线,对电流的承载能力非常有限,2A基本就是极限了,而Type-C接口优于设计的优越性,接口的触点非常多,因此内部可以增加的线比MicroUSB 2.0要多得多,最大可支持5A的电流。所以Type-C接口与生俱来就对大电流有着极大的友好。

▲图左为Type-C型接口,图右为MicroUSB 2.0接口

注:

  • ① Type-C接口只是一种接口类型,由于体积小,正反可插,以及可以兼容诸多协议,因此有着“数据接口的终极形态”之称,但也因为其兼容了诸多协议,可以集成视频、音频、数据、供电等各种接口和协议(如雷电三),导致目前市面上的Type-C接口功能不一,对新手来说比较不友好。
  • ② 常见的MicroUSB除了2.0,还有MicroUSB 3.0,手机上有三星的note3和s5采用了这种接口。但是由于MicroUSB 3.0体积太大,因此后来就没有手机采用这种接口了,反倒是移动硬盘现在用的比较多。

▲图为MicroUSB 3.0数据接口

注:以下提及的MicroUSB如无标注则均为MicroUSB 2.0

5、高低之争

我们继续回到快充发展史的2014年。

而这个时候,如果还要继续通过增大电流的方法来提升充电功率,MicroUSB那孱弱的身躯可承受不了这巨大的电流。于是乎,以高通QC为首的高压快充方案和以OPPO VOOC为首的低压大电流快充方案就此分道扬镳,而快充协议的混战也从此展开。

先来说说高通这边的高压快充方案。

我们都知道P(功率)=U(电压)*I(电流),而既然当时增大电流不行,那就增大电压呗,同样是18W功率的快充,如果要用5V电压的话,电流已经超过了3A,正常的MicroUSB是绝对受不了的。而使用12V的电压,电流就只需要1.5A,一下子电流就降下来了。这种方案的一大好处就是成本比较低,而坏处就是将充电器的电压升到这么高,在二次降压过程中手机的充电管理IC产生的热量也是极大的,所以高压快充的一大特点就是手机发热严重。

注意,1.5A是QC标准比较推荐的电流,因为2A是Micro USB的极限,业界的普遍共识是,不要把器件用到极限值,而是要预留余量。

▲图为高压快充方案示意图

接下来我们再来说说OPPO的VOOC低压大电流快充。

▲图为低压大电流快充原理示意图
和高通不同,OPPO这边采用的是另外一种解决方案。不是说正常的MicroUSB数据线承载不了这么大的电流嘛,那就把充电器从头到尾彻底改造一番。OPPO采用在当时来说相当另类的解决方案,在普通的MicroUSB数据线中增加了两个个触电,使得内部从五根线变成了七根线,充电头也因为整合了IC电路而变得奇大无比。

▲图片来自充电头网

不仅如此,因为从头改造电路,所以数据线只能用官方的特制数据线,一般的数据线无法达到快充的效果,而且这样做的成本也很高,大电流充电对于电池的损耗也更为明显,很多使用初期的VOOC快充的手机在使用大约一年之后,电池续航严重下降。

但是,付出了如此巨大的代价,OPPO也不是没有收获的。

初代的VOOC快充就凭借着5V/5A的25W超大功率,在充电速度上一骑绝尘,使得其余手机都难以望其项背。而由于它将发热源外置到充电器中,手机在充电时发热量明显小于高压快充方案。既然VOOC快充如此优秀,OPPO自然也不能藏着掖着,于是乎……

充电五分钟,通话两小时的广告词响彻大江南北。

▲图为OPPO R11官方宣传文案

低压大电流方案虽然成本高,且对充电设备有比较高的要求(尤其是线材),但是手机上的发热量小,充电速度更快。

6、一统天下

随后联发科也推出自己的Pump Express(PE)和后来的Pump Express Plus(PEP)快充,而魅族的mCharge快充就是基于此,华为早期推出了Fast Charge Protocol(fsp)快充,国际巨头三星也有自己的AFC(Adaptive Fast Charging)快充,而小米和努比亚等一众使用高通SoC作为自己旗舰手机SoC的厂商也是使用的高通的QC快充。以上提到的这些都是使用的高压快充方案。

当然低压大电流方案这边也不是没有援军,比如说一加。一加CEO刘作虎作为OPPO前高管,尽管一加使用的是高通的SoC,但是在一加推出自己的快充方案时,还是选择了低压大电流方案,也就是一加Dash闪充。

看到这里是不是觉得高压快充方案已经赢得了胜利,低压方案只能在一旁苟延残喘?

当然不是!事情在2016年发生了转变。

2016年,Type-C接口已经普及得七七八八了,安卓旗舰手机基本都是使用这种接口,这就为低压方案的翻身提供了有利条件。(尽管Type-C接口支持大电流,但是其线材依旧比较粗)

这一年,华为改变了快充方案,推出了自家的另一类快充(scp),全称Super Charge Protocol,搭载的机型有荣耀Magic、Mate9和P10/plus,使用的是4.5V/5A的低压大电流方案。

而联发科这边的PEP快充,也转投了低压方案,魅族最新发布的旗舰Pro7 Plus搭载的mCharge4.0也是使用了低压方案,早前的mCharge3.0属于高压快充方案(24W),充电器输出电压最高可达12V;而mCharge4.0(25W)属于低压大电流方案,充电器输出电压5V,电流可达5A。

努比亚也推出了自家的快充方案,名为NeoCharge,使用的是5V/5.2A的26W低压大电流快充方案,搭载在努比亚2017年发布的M2上。

至于小米……额……好像没有低压快充方案,目前已有的澎湃S1上搭载有9V/2A的18W的澎湃快充,是典型的高压快充方案。不知道澎湃S2会不会给我们带来惊喜呢?

再说说高通,高通似乎也发现了低压方案的优势,在最新的QC4快充上,也使用了低压大电流方案,不过于此同时也还支持着高压快充方案。

尽管目前低压大电流方案已经基本统治了快充,但是各家的快充协议互不兼容,可以说给消费者带来了很大的苦恼。

这个时候,又到USB IF协会出场了。

USB IF协会之前当然也没有闲着,发布了基于USB 3.1中Type-C接口的USB Power Delivery(简称USB PD)的充电标准,最高可以提供100W(20V/5A)的充电功率,旨在统一便携移动设备的充电标准。USB IF的梦想是美好的,只是现实往往比较残酷。各家厂商自己做手机,再做快充标准,当然都是首选自家的快充协议,USB PD标准也就被晾到了一边。

但是梦想还是要有的,万一实现了呢?

要知道,USB IF协会的背景可不弱(都是行业巨头联合成立的),而谷歌官方也是表示安卓一定要支持USB PD协议,不要乱搞些有的没的快充协议。加上USB IF协会积极与各国以及各个高端实验室沟通,其最新发布的USB PD3.0已经成功收编高通的QC4快充协议,至此,高通QC、联发科PEP、华为fcp、scp,OPPO的VOOC等快充协议基本被USB PD3.0收纳。而厂商日后研发自己的快充技术,只要基于USB PD的协议即可。USB PD协议有望一统江湖。

▲图为USB PD3.0协议

但是,尽管前途一片光明,道路还是一片崎岖,快充大一统,还是有不短的路要走。