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[讨论] 手机四种快充技术了解一下

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发表于 2016-6-19 21:18 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 qwqwqw2088 于 2016-6-19 21:42 编辑

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)
360截图20160619211708816.jpg

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。
360截图20160619211802883.jpg
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。



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一粒金砂(中级)

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发表于 2016-6-29 11:24 | 显示全部楼层
qwqwqw2088 发表于 2016-6-28 21:52
紧跟时代潮流,,
最近手机电池电量几乎到瓶颈了
快充技术也是新款手机的亮点,给大家分享一下

看了还有一些不懂的地方,再去补充了下,电池充放电倍率C=充放电电流/额定容量。4000mAH的电池,2A充电电流,2/4=0.5。
1:电池端的电流是怎么计算的?如果按照第一个图的公式(5-4.2)/0.32=2.5A,那如果是9V,算出来就是15A了。一块4000mAH的电池,最大1.5C也就6A的充电电流,那上述的公式就不适合了呀,
2:不按照图1的公式计算,而以倍率计算电池端的最大充电电流,那么,4000mAH/1.5C的电池,最大6A,能用充电环路的阻抗来计算发热功率吗?I2R=11.52W?那也太大了吧,需要的充电器功率也要36.72W了,
3:一般快充头也没有这么大功率,4000maH的电池就达不到6A,那么电流的输出就只能是能量守恒来计算了吧~~P充=0.32*I*I+4.2*I?根据充电线材能承受的最大电流和充电头能输出的最大电流来计算电池端的充电电流了~


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 楼主| 发表于 2016-6-19 21:40 | 显示全部楼层
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:
360截图20160619213908554.jpg
   以上是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。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。



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 楼主| 发表于 2016-6-19 21:23 | 显示全部楼层
本帖最后由 qwqwqw2088 于 2016-6-19 21:44 编辑

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。
360截图20160619211909119.jpg 360截图20160619211951095.jpg




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 楼主| 发表于 2016-6-19 21:26 | 显示全部楼层
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:
360截图20160619212342140.jpg

快充技术充电器原理图,及原理简介
360截图20160619212503163.jpg
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。



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 楼主| 发表于 2016-6-19 21:29 | 显示全部楼层
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:
360截图20160619212727209.jpg
 图-7
360截图20160619212737000.jpg
360截图20160619212858110.jpg
 图-9  大个头的充电器



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 楼主| 发表于 2016-6-19 21:38 | 显示全部楼层
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,
360截图20160619212958129.jpg 360截图20160619213158799.jpg
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。
File201612511391158409.jpg
图-13  BQ25890+BQ25896双Demo充电实测
360截图20160619213639433.jpg




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一粒金砂(中级)

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发表于 2016-6-20 08:50 | 显示全部楼层
分析的很好,谢谢!


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一粒金砂(中级)

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发表于 2016-6-28 17:58 | 显示全部楼层
楼主最近这些日子好像分享了几篇快充的贴了,谢谢楼主,刚好也在学习中。又巩固了一次

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紧跟时代潮流,, 最近手机电池电量几乎到瓶颈了 快充技术也是新款手机的亮点,给大家分享一下  详情 回复 发表于 2016-6-28 21:52


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 楼主| 发表于 2016-6-28 21:52 | 显示全部楼层
麻袋 发表于 2016-6-28 17:58
楼主最近这些日子好像分享了几篇快充的贴了,谢谢楼主,刚好也在学习中。又巩固了一次

紧跟时代潮流,,
最近手机电池电量几乎到瓶颈了
快充技术也是新款手机的亮点,给大家分享一下

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看了还有一些不懂的地方,再去补充了下,电池充放电倍率C=充放电电流/额定容量。4000mAH的电池,2A充电电流,2/4=0.5。 1:电池端的电流是怎么计算的?如果按照第一个图的公式(5-4.2)/0.32=2.5A,那如果是9V,算  详情 回复 发表于 2016-6-29 11:24


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一粒金砂(中级)

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发表于 2016-6-29 15:23 | 显示全部楼层
感谢科普,学习了
签名什么的人家才不会在意了(PS:我才不会说是因为我不会设计签名


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一粒金砂(初级)

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发表于 2016-10-22 10:26 | 显示全部楼层
mark


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一粒金砂(初级)

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发表于 2016-10-24 11:44 | 显示全部楼层
感谢楼主分享,最近正在学习。


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一粒金砂(初级)

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发表于 2016-11-1 17:51 | 显示全部楼层
麻袋 发表于 2016-6-29 11:24
看了还有一些不懂的地方,再去补充了下,电池充放电倍率C=充放电电流/额定容量。4000mAH的电池,2A充电电 ...

我觉得这是充电器的输出最大功率问题,比如9V15A是充电器最大的输出功率,但实际4000mAH电池最大充电率是1.5C,即6A,所以充电器此时的输出功率是9V6A,最大功率9V15A并不一定用满

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9V15A是充电器不一定有啊  详情 回复 发表于 2016-12-29 08:42


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一粒金砂(初级)

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发表于 2016-12-28 22:06 | 显示全部楼层


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 楼主| 发表于 2016-12-29 08:42 | 显示全部楼层
mzxnhl 发表于 2016-11-1 17:51
我觉得这是充电器的输出最大功率问题,比如9V15A是充电器最大的输出功率,但实际4000mAH电池最大充电率是 ...

9V15A是充电器不一定有啊


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