大一统曙光已现 解读快充的前世今生

小鱼时代2017-07-31 13:39

大一统曙光已现 解读快充分支与历史

移动应用遍及生活方方面面,我们越来越离不开手机。伴随着性能和功能的暴涨,手机却在慢慢变轻变薄,而且不再支持换电池的设计了,用户对续航的忧虑,从未像现在这么严重……

电池化学技术早在几十年前已经基本成型,容量与电池的重量和体积成正比,面临“要容量就只能变厚变重”的矛盾,历史毫不犹豫地选择了看起来是曲线救国,但实质上是最简单粗暴的解决方案——快充。

让人眼花缭乱的快充分支与历史

在功能机时代,手机的电池容量一般都在1000mAh以下,充电功率停留在3-5W,当年5V 0.5A的输出规格,现在看起来简直就是上古画风。伴随着性能的暴涨,随后安卓智能机的电池容量也增长到了2000mAh,USB协议的制定者USB-IF协会定义了USB Battery Charge 1.2(BC 1.2)充电标准,把充电电流扩大到1.5A。至今很多智能硬件用的,依旧是这个充电标准。

2013年,初代的高通快充QC1.0面世,高通通过引入自己的电源管理集成电路PMIC,让充电输出跃升到5V 2A,而且任何移动设备都可以用这个独立于USB连接器的方案。

大一统曙光已现 解读快充分支与历史

因为继续提高电流会对数据线和其他部件带来技术和成本压力,高通QC 2.0采用9-12V的高压低方案规避2A电流的红线,大幅提高功率并降低充电损耗,同样只需要高通的电源管理IC即可支持。因为成本低而且兼容性好,QC 2.0几乎统一了快充市场,后来的三星AFC、Moto涡轮快充、vivo双引擎闪充等都算是QC2.0的衍生方案。

再往下,联发科的PEP快充面世,用的是和高通类似的高电压方案,根据电流来判断输出,随后的魅族mCharge、金立闪电快充都是联发科PEP快充的衍生产品。而OPPO的VOOC闪充则使用5V 4-5A的超高电流,从充电器、数据线,到电池和接口,全都需要定制,充电速度上去了,但却是兼容性问题最严重的。

因为USB-IF的不作为,芯片和手机厂商都围绕自己的产品和商业利益定义自己的快充,纷争和战火从此点燃。在群雄并起的2015年,高通发布了QC3.0快充,加入了INOV(最佳电压智能协商)算法和200mV的电压梯度调节,大幅提升充电效率并降低发热,提高安全性。随着Type-C接口的换代浪潮袭来,USB协会终于搞出了自己的快充方案USB PD(USB Power Delivery Specification)。

高通QC 4:次世代快充

因为各种快充都无法兼容竞争对手的方案,让现在成为快充标准最混乱的时代,手机无法使用其他品牌手机的充电头,甚至自家前后两代产品用的快充技术都不同。当中的很多快充都需要特制的充电头和数据线支持,缺少任意一个都也无法快充。各种兼容性问题,最后还是算在了消费者的头上。狂野生长过后,业界仿佛都在等待着下一代的快充来重整市场。

在mirco-USB统一移动产品充电和数据接口之前,也曾经历类似的野蛮生长过程,而快充领域也已经到了大浪淘沙的临界点上。2016年底,高通最新一代移动计算平台骁龙835发布,除了CPU、GPU、ISP/DSP、基带等大幅度的提升外,高通QC4快充标准也一同发布了。

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QC4全称Quick Charge 4,不再依照原来2.0/3.0的命名方式,宣称比前代温度更低(-5℃),速度更快(+20%),效率更高(+30%)。QC4采用5V/4.7A~5.6A和9V/3A规格,同时INOV技术的步进电压精度提升到10mV,进一步提升充电效率并减轻发热,支持Dual Charge++技术,其具体改进点包括:

支持USB Type-C、USB PD,具备更强的兼容性;

在节电器中增加了更先进的技术,延长电池使用寿命,提升充电的安全性;

通过INOV算法最大化提升充电效率,优化充电过程,减少发热;

使用第二个电源管理芯片以提供双重快充,结合智能热平衡设计,优化充电效率。

配套使用的最新电源管理芯片SMB1380和SMB1381,阻抗更低,峰值效率提升至96%,可在厚度不到0.8mm的电池内使用,为轻薄型快充设备提供了完美的支持(当然,现在还没有这么薄的电池量产)。

速度之外被掩盖的众多要点

如无意外,高通QC4快充依旧会是同代最快的快充方案之一,其最高输出高达28W,宣称可以充电5分钟,使用5个小时,可以在15分钟内能为2750mAh电池的手机充50%电量。但在充电速度之外,有太多的东西是普通用户之前完全没有发现的。

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对于手机,充电除了速度,充电时的充电效率、发热控制、安全性和电池寿命等都非常重要,并会直接影响使用体验,这些是之前的快充故意忽略或无法兼顾的痛点。

充电效率方面,高通QC4快充采用了高通第三代INOV(Intelligent Negotiation for Optimum Voltage 最佳电压智能协商)电源管理算法,提供了行业首创的实时散热管理能力。这个智能热平衡管理功能,在既定的散热条件下,自主确定并选择最佳的电力传输水平,从而优化充电效率并控制温度。

充电过程中,电池的电压会随着电量增长而变化,INOV正是通过实时调节输入电压,让原来的恒压输入,变成阶梯式的斜线。理论上梯度越多越密集,越接近最高效率的电压斜线。而QC4的步进电压精度,从QC3.0的200mV一口气提升到10mV,比后来PPS设定的20mV电压阶梯还要精确,其密度和控制精度,直到现在依旧是最高的。

大一统曙光已现 解读快充分支与历史

充电功率的上涨必定会对发热控制提出更高要求,为了解决这个问题,高通早在QC2的时代就引入了双路充电(Dual Charge)技术,每一次迭代都会增加一个“+”号,在QC4上双路充电已经进化到Dual Charge++了。

该技术的核心部分,由新的电源管理芯片SMB1380和SMB1381完成。它们具备如电池差分感知等的先进快充特性,最高电流值可以达到6A和5A,它们之间可平分电流,让电流值在最佳效率范围内(3A电流时达到效率峰值,转化率为95%),同时让发热源分散,提高散热效率,从而达到比前代低5℃的效果。

在安全方面,QC4更加“丧心病狂”。其支持面向适配器和移动设备的众多先进安全特性,通过在多个层面和整个充电过程中加入保护措施,以保护电池、手机、充电线缆和适配器。

充电过程中手机、电池和电源适配器的电压、电流和温度都在到检测范围内,有助于防过热和短路。因为采用的是高电流方案,所以QC4引入了对充电线的质量检测功能,需要3A/5A或以上规格的线材。

除了新加入的电池防过充和防过热功能,QC4能在每个充电周期调节电流,配合台阶充电特性,可以有效延长电池使用寿命(需要电源适配器支持)。

恒流机制在某些情况下,可能会导致输出电压的剧烈波动,对手机内部的Bypass路径管理和基带模块的供电安全造成威胁,所以高通没有像部分厂商那样通过适配器完成恒流直充,依旧把控制模块放在手机上,以提升安全性。

王的资质:兼容性与骁龙计算平台的支持

大一统曙光已现 解读快充分支与历史

如果仅仅只有上面提到的速度、效率、安全性,那高通QC4或许也只能算是“又一个”快充技术而已。让它和同代技术与众不同的,是它的兼容性以及高通自身骁龙移动计算平台的支持。

兼容性是现在这一代快充的最大短板,而高通QC4引入了USB PD标准的支持,是首个打破这个僵局的快充标准。其后,在2017年农历新年期间,USB-FI组织发布了USB PD 3.0的重要更新,宣布了对QC4、QC3、SCP、FCP、PE3.0、VOOC多种快充标准的支持。虽然各家的跟进速度各有不同,但高通QC4快充本质上成为了USB PD的一个超集,而且QC4跨越的电压更大、充电速度更快。

QC4除了可以向下兼容自家的QC3.0/QC2.0外,也能支持USB PD标准,大大减轻了用户和厂商后期维护、升级成本。此外,早在QC2.0时代,高通就为QC留下了A、B两类方案,A类对应手机等小型设备,B类则是为平板和笔记本准备的,这个传统一直延续到QC4。

让高通QC4可以在移动电源、充电器、车充等使用场景都能发挥作用,小至摄像机、灯泡,大至平板、笔记本和最近火热的VR头显,甚至连无人机和汽车都能兼容和受益。

回到大家最关心的手机领域,高通在SoC平台上的原生支持和体量优势,是其他手机和芯片厂商,甚至是USB-IF协会都无法撼动的。高通QC4和其他快充标准,从起点上就已经不一样了。同样在做手机SoC的大厂,现在只剩下联发科了。

但联发科近年在中高端产品线连番受挫,中高端产品线都早已是高通骁龙移动计算平台的天下了。最新的骁龙835平台上,本身就内嵌了对高通QC4的支持,高效双路充电和智能热平衡管理这两个重点功能,甚至不需要QC4充电头就能做到了。

大一统的曙光

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对于手机、平板、电脑、VR/AR,甚至无人机等移动设备来说,电池续航都是最基本的要求。在电池技术不太可能出现大幅跃进的情况下,降低功耗和引入快充是最实际可行的解决方案。

快充最核心的改进不是总体充电时长下降,而是更快的充电速度,可以适应用户越来越碎片化的充电时间,出门前的10几分钟准备时间就能充上出门所需的电量,让用户从“充电时长”的束缚中解脱出来。

高通QC4快充作为下一个世代最快的充电技术之一,15分钟内将2750mAh电池充至50%电量的速度,已经足够让用户很大程度上摆脱为电量担心的麻烦了。第三代INOV电源管理算法和双路充电(Dual Charge)技术则通过精细化管理和双流分担的方式,提升充电效率和安全性。

覆盖适配器、线材和电池的精细监控和调节,则提供了同代快充无法比拟的安全性和电池寿命保护能力。而对前代技术和USB PD标准的兼容性,以及高通835移动计算平台的支持则变成了它封皇的基石。虽然当下快充标准依旧混乱无比,但已经能看到“快充大一统”的曙光了。

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