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手机快充技术全面来袭,该如何选择合适的充电方案

52RD.com 2016年1月25日 我爱研发网            参与:52人 查看 我来说两句
  

      随着智能手机的普及和用户对手机使用续航时间需求的提高,在受限于锂电池技术无法取得突破而做大能量密度的情况下,智能手机电池快速充电技术使用户在短时间内快速补充电量,从而使手机的续航时间得与延长,比如半小时内可以充满75%的电量,让用户轻松获得足够电池电量。

  当快冲技术全面来袭,我们该如何为产品选择合适的充电方案?是摆在产品设计师和产品经理面前的一道命题。悉数市面上的产品,快充技术大致有四种,即高通的QuickCharge版(如QC2.0、QC3.0),联发科版(Pump Express和Pump Express plus),OPPO 的VOOC,以及TI的Maxcharge(实际上它同时兼容了高通QC2.0版和联发科Pump Express协议)。也有人说快充技术是5种、6种、甚至7种,但在目前也就上面这四种,是在原有USB 5V充电技术上有所突破的技术,具体请看文章后面的详细解释。

  常规USB 5V充电技术的瓶颈,充电环路示意图如图-1,充电环路阻抗约0.32Ω,那对于4.2V和4.35V电池最大充电电流有以下公式:

     (5-4.2)/0.32=2.5A (5V input source, Battery CV=4.2V)

     (5-4.35)/0.32=2.03A. (5V input source,Battery CV=4.35V)

      图-1

  因此,手机的常规充电方式,无法再提高充电电流,不能满足现在手机电池越来越大后,对大充电电流的要求。

  一、高通QC版快充技术

  这是一个市面上采用较多的快充技术,小米4C,小米note,三星等主流品牌均在采用此充电技术。这与目前高端智能手机所采用的平台有相当关系。另外,这种技术相对简单,实现起来相对容易,成本提升不明显,市场较容易接受。高通QC充电技术有两个版本,分别是QC2.0和QC3.0,现在QC3.0的手机还很少,普遍还是QC2.0。

  图-2

  快充技术的原理,通过USB端口的D+与D-的不同电压给合,来向充电器申请相应的输出电压供手机充电。QC2.0并不是简单的D+与D-的组合就可以让充电器输出所需的电压,而是还有一些协议在里面,需要先发送握手信号,比如1.5s的握手电压组合,才能进行下一步的输出,否则,直接按图-4将D+与D-电平设置好是不会改变充电器的输出电压的,这也是为了更好的保护非QC2.0技术的手机,不会因为误触发了充电器的升压机制而烧毁手机,图3是QC2.0充电器原理图的调压部分。

  图-3

      图-4

  高通QC2.0 握手协议:

  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QC2.0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1.5s 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获取手机预设的充电器电压值,比如 9V,则设置D+上的电压为3.3V,D-上 的电压为0.6V,充电器输出9v电压。

  快充技术的优点是,很好地解决常规手机充电电流的限制,由于充电器输出电压的提高,手机充电环路的阻抗限制的充电电流的问题得到了很好地解决,缺点是,效率仍不是很高,在手机端发热量还比较大。

  随着高通QC3.0的发布,很好的弥补了QC2.0效率偏低的问题。

  充电速度是传统充电方式的四倍,是Quick Charge 1.0的两倍,比Quick Charge 2.0充电效率高38%。Quick Charge 3.0采用最佳电压智能协商(INOV)算法,可以根据掌上终端确定需要的功率,在任意时刻实现最佳功率传输,同时实现效率最大化。另外,其电压选项范围更宽,移动终端可动态调整到其支持的最佳电压水平。具体来说,Quick Charge 3.0支持更细化的电压选择:以200mV增量为一档,提供从3.6V到20V电压的灵活选择。这样,你的手机可以从数十种功率水平中选择最适合的一档。

  二、联发科Pump Express快充技术

  与高通QC2.0虽在实现方式上有所不同,却有异曲同工之妙。高通QC2.0是通过USB端口的D+和D-来个信号实现调压,而联发科的Pump Express快充技术,是通过USB端口的VBUS来向充电器通讯并申请相应的输出电压的。QC2.0是通过配置D+和D-电压的方式来通讯,Pump Express是通过VBUS上的电流脉冲来通讯,但最终的目的是提升充电器的电压到5V,7V,9V。

  快充技术的VBUS电流与VBUS电压波形如图-5:

  图-5

  快充技术充电器原理图,及原理简介

  图-6

  快充技术的优点,与QC2.0相似,由于提高了充电器的输出电压,解决了充电电流的限制。同时缺点也与QC2.0类似,由于充电器的调压档跨度比较大,带来手机端充电路效率偏低。于是,MTK Pump Express Plus快充技术随之诞生,Pump Express Plus技术与高通QC3.0类似,增加了调压档数,每档200mV。手机可以根据电池当前电压以及充电环路衰减,向充电器申请合适的电压,以达到以电效率的最大化,以进一步降低手机在充电过程中的发热量。

  三、OPPO VOOC闪充技术

  称自己研发的快充技术为“ VOOC闪充技术“,也是最神秘的快充技术,目前只有OPPO的几款产品在用,即Find 7和N3等,由于OPPO对此技术有专利限制,其它手机厂商只能叹为观止,且成本相对较高,充电器体积较大,便携方面没有其它快充技术的好。

  的VOOC闪充技术与传统充电最大的区别在于,创新性的将充电控制电路移植到了适配器端,也就是将最大的发热源 移植到了适配器。这样控制电路在适配器,而被充电的电池在手机端,充电时手机发热得以很好的解决。为了更好的对充电流程进行控制 (比如控制电路需要实时监测电池电压、温度等),OPPO特别在适配器端加入了智能控制芯片MCU,适配器端实现了充电控制电路,智能控制充电的整个流程。

  闪充技术的官方宣传图片:

  图-7

  图-8  8个触点的电池

  图-9  大个头的充电器

  四、TI的maxcharge技术

  的maxcharge技术是将高通QC2.0和联发科的Pump Express,以及TI自身的高性能充电管理做了一次整合,比较有代表性的方案有BQ25895,其最大充电电流可达5A,最大输入电压14V,可以很好地支持QC2.0和Pump Express标准的充电器。我们对TI提供的BQ25890 demo板实测,在4A充电时,芯片温度达55度左右(在环境温度25度下测试),差不多有30度的温升,这如果放在手机内部,将会是一个重要的热源。

  的maxcharge充电芯片的简易原理图,

  图-10 TI的maxcharge充电芯片的简易原理图

  图-11 BQ25890 Demo板实测

  的maxcharge充电技术的优点,由于同时兼容高通QC2.0和联发科Pump Express技术,因此也就同时具备了QC2.0和联发科Pump Express的优化点。它缺点也和高通与联发科一样,整体的效率还不是很高,因此发热量较大。

  鉴于手机充电部分的发热问题,短时间QC3.0和Pump Express plus还未普及,那么我们是否还有其它方案来减小手机充电发热量呢?答案是肯定的。我们用两颗充电芯片同时对一颗电池进行充电,可以减少单独充电芯片的发热量。图-12是双充电芯片原理图,图-13是BQ25890+BQ25896双Demo实测,设置两颗充电芯片的充电电流都为2A,总共4A对电池充电,充电30分钟后,测到两个芯片的温度分别为42度和40度,室温为25度,芯片温升分别为17度和15度,比单芯片充电方案的温升降低了一半。因此,双充电芯片方案对提高充电效率,减少手机充电发热方面具有很大的优势。

  图-12  双充电芯片原理图

  图-13  BQ25890+BQ25896双Demo充电实测

  图-14  充电过程曲线

  五、充电方案的选择

  面对上述充电方案,我们要如何选择呢?

  成本,效率,发热量,便携性,专利,等均需要考虑。首先,OPPO的VOOC闪充技术在成本,以及充电器便携性方面肯定是不占优势,加之其有专利方面的限制,其它厂商在没有获得OPPO授权的情况下,不可能采用此方案。高通和联发科虽然各自也有专利,但暂时还未向使用者收费,且在成本与充电器便携性方面更具有优势,我们不难看出,在接下来的一段时间里,快充方案的选用方面,TI芯片将具体更灵活的选择性。

  电池在快充技术发展过程中,起着举足轻重的作用,电池充电倍率的高低,直接影响充电的速度。目前手机上常用的电池充电倍率有:0.5C,0.75C,1C,1.5C等。比如一个电池只有1000mAh的项目,客户要求支持快充,这时我们需要分析,客户要求支持快充的目的是什么?只是要有这个噱头?还是需要缩短充电时间?如果是前者,那只需要硬着头皮加上快充方案即可,其本质和不带快充的方案没有多大差别(除了成本有所提高),如QC2.0在9V时可输出1.5A以上,电池端的电流可以达到2.5A以上,对于1000mAh的电池来说,如果是目前较好的手机高倍率电池1.5C,也只需要1.5A的充电电流,那么换算到充电器端,充电器只需要在9V电压时输出0.75A左右即可,如果在5V电压时,则只需要输出1.4A左右也能满足,因此,这个项目只需要选择更高倍率的电池即可,而不需要采用快充技术,亦能满足项目对充电的需求。若一个项目的电池是4000mAh,2A充电电流仅为0.5C,如果采用3A的快充方案,也只能达到0.75C,充电时长约需约2.5小时,如果是支持1C充电的电池,采用4A充电,则充电时间可缩短到约1.5小时。

  电池充电倍率与充电时间的大致关系如下表:

  以上是我们对当前快充方案和双充电IC的总结,总而言之快充方案的选择,是一个综合性的技术方案选择,它具有水桶效应。我们要根据项目需求,合理地选择,希望以上的技术分析内容,能够给未做过快充方案的同行工程师一些参考信息,同时也希望看到更多的工程师能在快充技术上取得新的进展,给手机用户更好的体验。

       ------深圳市西可德信通信技术设备有限公司 基带部 付峰 江洪


 

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深圳惠新晨12-100V宽输入高效率电动车手机充电器芯片H6101来袭
19楼 slx1123 发表于 2016-4-5 17:15 回复
非常赞啊,学习学习
18楼 LIUDAMAO 发表于 2016-3-3 16:57 回复
确实好文
17楼 52RD网友 180.166.*.* 发表于 2016-3-2 17:48 回复
非常好的文章,言简意赅。
16楼 52RD网友 218.17.*.* 发表于 2016-3-2 10:53 回复
江总,威武!
15楼 wangran1001 发表于 2016-2-29 11:40 回复
速补充一下超级闪充!
14楼 chinalong007 发表于 2016-2-23 14:35 回复
13楼 52RD网友说:(5-4.2)/0.32=2.5A (5V input source, Battery CV=4.2V) (5-4.35)/0.32=2.03A. (5V input source,Battery CV=4.35V) 这公式正确?怎么想的?现在充电IC基本都是buck型的了。4.35V电芯,5V2.4A充电的例子满大街。
你拿5V2.4A的充电器对4.35V电池的手机充个曲线出来看一下就知道了。
13楼 52RD网友 121.35.*.* 发表于 2016-2-19 11:48 回复
(5-4.2)/0.32=2.5A (5V input source, Battery CV=4.2V)
(5-4.35)/0.32=2.03A. (5V input source,Battery CV=4.35V)

这公式正确?怎么想的?现在充电IC基本都是buck型的了。4.35V电芯,5V2.4A充电的例子满大街。

12楼 slg232511 发表于 2016-2-2 09:45 回复
很全面,大赞。
11楼 devin 发表于 2016-1-28 09:21 回复
实用性很强,如果能再详细介绍一下QC3.0快充协议就好了。我们的天工一号移动电源测试仪,实现了对QC2.0协议的解析,用于QC2.0标准的适配器和手机测试很方便快捷。
10楼 Bamboli 发表于 2016-1-27 18:22 回复
难得看到这么实用的技术性文章了,大赞!
9楼 52RD网友 183.62.*.* 发表于 2016-1-25 17:49 回复
8楼 52RD网友说:听说张树栋也在这家公司啊
赞一个!
8楼 52RD网友 183.62.*.* 发表于 2016-1-25 17:46 回复
听说张树栋也在这家公司啊
7楼 52RD网友 183.62.*.* 发表于 2016-1-25 14:31 回复
很实用的文章,牛逼
6楼 chinalong007 发表于 2016-1-25 14:16 回复
可以做为资料收藏。
5楼 52RD网友 140.206.*.* 发表于 2016-1-25 13:57 回复
值得好好学习!
4楼 52RD网友 101.226.*.* 发表于 2016-1-25 12:59 回复
双充电IC牛
3楼 awing001 发表于 2016-1-25 12:42 回复
写的很好啊,快充是智能手机最实用的技术
2楼 52RD网友 112.97.*.* 发表于 2016-1-25 12:40 回复
写的很好,快充是很实用的技术
1楼 74877975 发表于 2016-1-25 11:56 回复
很全面,牛逼啊,沙发啊
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