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快充技术原理与典型应用电路图详解

文章出处:捷配电子市场网 发布时间: 2016/10/12 | 3855 次阅读

智能手机的兴起使得手机耗电量急速上升,而成本、电池技术都限制了电池续航时间,在没有办法解决电池续航问题的时候,为用户提供更快的充电速度似乎成了解决手机待机问题理所当然的方法,在这个大背景下,现在的手机快充技术越来越多的被手机厂商们使用和青睐。

  一:快充技术原理-快速充电原理

  电池核心仍是锂离子,大多数厂商走的,基本是“开源”和“节流”两条路——电池厂商努力提升能量密度加大容量,芯片厂商则在寻求低功耗方案,但这两者都是有上限的:前者手机便携性所限,后者是是技术限制。

  既然开源节流效果都不明显,厂商就开始采用“曲线救国“的方案:提高手机的充电速度,从常规的1-2小时变得更短,以此降低充电的时间成本,换取便捷性。

  电池充电的基本条件是:充电器电压要比电池电压高,才能克服电池的电压使它产生充电电流,完成电荷转移过程。

  初中物理都学过,功率(P)=电压(U)x电流(I),在电池电量一定的情况,功率标志着充电速度,可以通过下列三种方式来缩短充电时间:

  1、电流不变,提升电压

  2、电压不变,提高电流

  3、电压、电流两者都提高

  把充电比喻成水池蓄水,提升电压,会对池壁带来更大压力,带来安全隐患。所以单纯采用提升电压这种方式的还不多。

  从物理计算公式上来说,功率(P)=电压(U)x电流(I),在电池电量一定的情况,功率标志着充电速度,我们可以通过下列三种方式来缩短充电时间。

 快充技术原理

  1、高电压恒定电流模式:一般手机的充电过程是,先将220V电压降至5V充电器电压,5V充电器电压再降到4.2V电池电压。整个充电过程中,如果增大电压,产生热能,所以充电时,充电器会发热,手机也会发热。而且这样功耗越大,对电池损害也是越大的。

  2、低电压高电流模式:在电压一定的情况下,增加电流,可以使用并联电路的方式进行分流,恒定电压下,进行并联分流之后每个电路所分担的压力越小,在手机中也进行同样处理的话,这个每条电路所承受的压力也就越小。

  3、高电压高电流模式:这种方式同时增大电流与电压,这样由之前的公式P=UI,我们可以知道的是,这种方式是增大功率最好的办法,但增大电压的同时会产生更多的热能,这样其中所消耗的能量也是越多,并且电压与电流不是无限制的随意增大。

  这三种方式有一个共同的问题,那就是对充电器、手机以及充电数据线的电子元件要求更高。高通想利用其技术上的优势使得第三种方式,而OPPO选择退而求其次,采用了第二种方式来提高充电效率。

  恒压提高电流是更普遍做法,目前手机标配的适配器通常为5V/1A输出,部分厂商将充电电流提升到了2A,一定程度上缩短了手机的充电时间,这确实是一种解决方案,但问题是,首先,2A需要充电器和手机都支持才行,手机上也有控制器,并不是多大电流都能支持,如果用2A充电器给仅支持1A的手机充电,其实输出也只有1A。

  另外,电流不能无止境提升,大电流充电会产生更多的热量,如果发热速度超过了散热速度,又没有保护机制,电池的温度就会不断升高,寿命降低甚至引起爆炸。所有的电子产品,充电器和产品本身都会限制最大电流。

  目前提升充电功率的两个方法,要么提升电压,要么增加电流,要么电压、电流均提高。并且只有经认证的手机端和适配器才能实现高效的充电效果。

  首先充电器把家用电的220V降压到5V输出到手机Micro USB接口,然后手机内部电路再降压到4.3V左右给电池充电。这里面一共有两个降压的过程。

 快充技术原理

  下面我们再来了解一下锂电池充电时间与充电过程。

  快充技术原理

 快充技术原理

  上图中横坐标为时间,纵坐标为锂电池电压。由于锂电池的特殊性,过压或者欠压都会导致电池报废,所以现在的锂电池充放电保护电路原理就是测量锂电池电压,再根据电压判断锂电池是否处于正常状态(非过压、非欠压)。

  锂电池的充电电流如上图粉红色线所示。锂电池的充电分为三个阶段,分别是恒流预充电、大电流恒流充电与恒压充电。

  当电压低于3.0V时,充电器会采用100mA电流对锂电池进行预充电,就是上图C C Pre-charge阶段,中文名字叫恒流预冲电阶段,目的是慢慢恢复过放电的锂电池,是一种保护措施来的。合格的充电器都会有这个充电阶段。

  然后与问题有关的就来了。当锂电池电压高于3.0V时,就进入到第二阶段,大电流恒流充电阶段(C C Fast charge)。由于锂电池经过第一阶段的预充,其状态已经比较稳定了(预充阶段的作用可以这样理解~但并不严谨)。所以在第二阶段,充电电流就可以适当提高,根据不同的电池来说,这个电流的大小可以从0.1C到几C不等,其中C是指电池容量,如2600mAh的锂电池,0.1C就是指260mA大小的电流。

  在这一个充电阶段中,国家建议的标准充电是用0.1C电流进行充电的,这个就是标准充电。不过标准充电这个标准由于提出的时间很早,十几年前的就提出来。那时候因为锂电池技术远远不如现在稳定(不允许大电流充电),所以才会有这样一个标准~~~采用标准充电的唯一好处就是充电过程稳定,发生爆炸之类的几率非常小;缺点就是费时间!!!

  而快速充电,就是指在这个阶段用大于0.1C的电流进行充电。如果锂电池容量为2600mAh,那么标准充电的电流为260mA,只要充电电流大于260mA,就可以定义为快速充电了。不过就从目前的锂电池水平与充放电管理芯片的水平来说,用1C的电流充电都没问题。所以快速充电也没有想象中的那么危险。一般快速充电的充电电流为0.2~0.8C,所以快速充电还是安全的。由于近几年来的提升,现在的充电器基本上都是快充类型的。

  而锂电池充电的最后一个阶段为恒压充电阶段,这个阶段就是检测到锂电池电压等于4.2V时,充电器则进入恒压充电模式,这个阶段充电电压恒定为4.2V,充电电流则越来越小(慢慢充满了,电流肯定变小~)。当充电电流小于100mA时,就判断电池充满,切断充电电路。

  这一阶段的特性,也可以解释为什么手机指示充满电后,拔出USB线再插进去,手机又显示继续充电。

  另外,需要说一下的是:以上的充电是针对于单节锂电池的最理想充电过程,目前的合格锂电池充放电保护板都是这样子工作的。

  目前手机使用的电池都是锂离子电池,在手机工作时,电池不断放电,电池电压不断下降,电池放电的电流不同,电压下降的曲线速率也不同,一般来说,在电池电压3.5V~4.2V之间集中了90%的电池能量。电池能量分布如下图所示。

 快充技术原理

  电池能量分布概图

  结合锂电池的实际情况,一般手机的工作设置为当锂离子电池放电到一定程度时,会通过软件设置为不能通话或者强行关机。深度放电对锂离子电池的寿命会造成不可逆转的损伤,因此关机电压一般设置为3.5V左右。从电池的能量分布以及手机使用的实际情况来看,影响充电时间最大的是在恒流充电阶段的充电电流,目前主流手机设置的充电电流为450mA左右。如果想实现快速的充电,最切实可行的方法就是提高恒流的充电时间。锂电池的最佳充电速率为1C,这意味着一个 1000 mAh的电池组要以1000mA的电流进行快速充电,以这种速率充电可以实现最短的充电时间,而且不会降低电池组的性能及缩短使用寿命。对于容量不断增加的电池,欲达到这种满意的充电速率,提高充电电流值是不可避免的。

  二:快充技术原理-快充方案典型应用电路图

  快速充电方案包含两个部分,充电器部分和电源管理部分,电源管理部分的芯片置于移动智能终端内,有独立的电源管理芯片,也有的直接集成在手机套片中,电源管理芯片对锂电池的整个充电过程实施管理和监控,包含了复杂的处理算法,锂电池充电包括几个阶段:预充阶段、恒流充电阶段,恒压充电阶段、涓流充电阶段,充电管理芯片根据锂电池充电过程的各个阶段的电器特性,向充电器发出指令,通知充电器改变充电电压和电流,而充电器接收到来自充电管理系统的需求,实时调整充电器的输出参数,配合充电管理系统实现快速充电。

 快充技术原理

  快充技术原理

  下图是匹配联发科的典型应用电路图

  快充技术原理

  快充技术原理

  针对MT6235/36平台推出的AW3208在增加OVP功能的同时,提供了智能充电功能,以满足快速充电的功能。如图2所示,AW3208内置专有的K-ChargeTM技术,可根据芯片温度智能调整输出电流,以保证在充电期间整个充电系统的安全。使得手机在实现快速充电的时候不会因为由于环境温度较高或者充电电流过大导致芯片进入过温保护使得充电没法正常进行。上图为在MT6235、MT6236上的典型应用图。

  下图是高通QC2.0的典型应用电路图

 快充技术原理

  快充技术原理

  三:快充技术原理-四大主流快充技术对比分析

  其实总的来说,目前市面上手机所常见的快充技术基本上都来自于三家公司:高通、联发科和OPPO,比如小米5就采用了QC3.0的快充技术。

  1、高通Quick Charge

  我们先来说一下高通,现在高通QC4.0已经发布,但是目前市面上常见的高通Quick Charge快充标准大多为QC2.0和QC3.0两种,相比于第一代时候的5V/2A固定电流电压技术来说,QC2.0则提供了5V、9V和12V三个档位的电压,以及最大3A(一般手机适配器不会达到这么多)的电流。相较于QC1.0来说,充电速率上提升了很多。

  我们以QC2.0来举个例子,Quick Charge 2.0需要手机与充电器都符合这一标准才能使用,为了防止老版本手机在充电时被过大电流烧毁,充电器中还加入一个IC控制器判断,当然,不符合Quick Charge标准的也有5V低电压与1A电流伺候。

  Quick Charge 2.0已经融入到高通骁龙801处理器芯片中。目前支持这一技术的手机与相应的充电器搭配即可支持,例如小米4,三星S5或是HTC One M8,理论上,Quick Charge 2.0比传统USB充电方式快75%。,能在30分钟内为3300毫安时的电池充入60%的电量。

  这项技术的局限性在与于芯片,这是高通的技术壁垒。虽然骁龙210这种入门货也支持,但非高通芯片,比如魅族的三星Exynos,华为的海思,以及MTK6595等就没办法了。

  其实QC2.0就已经基本解决了充电功率方面的问题,如果再提高充电功率可能就会引发严重的手机发热问题。所以QC3.0的出发点就是解决手机侧的接收效率。

  高通QC3.0相比QC2.0主要是增加了一个“最佳电压智能调节”(Intelligent NegoTIaTIon for OpTImum Voltage,INOV)算法,可以以200mV为一个台阶进行智能调节,提供从5V到20V电压的灵活选择(原来的QC2.0只支持9V、12V、20V三个档位)。这样手机可以在不同充电阶段,获得恰到好处的电压,达到预期的充电电流,使得电量损失最小化。

  高通官方宣称,QC3.0充电效率比QC1.0提高1倍,比QC2.0的提高了38%,是普通充电技术的4倍,能在大约35分钟内将一部典型的手机从零电量充电到80%!

 快充技术原理

  2、OPPO VOOC闪充

  国产厂商OPPO自己研发了一种VOOC闪充方案,原理是恒压加大电流,但又对这种方式进行了改良,他们的办法是,恒压高电流,将电流提升到了4.5A,由此加快速度。

  常规手机的充电过程,是适配器将220V交流电降压成5V直流电,在手机端通过充电控制电路调整为4.2V左右给电池充电,在电压调控过程中因为功率的损耗会产生发热现象(这也是我们常说手机充电时候会发热的缘故)。VOOC闪充技术将充电控制电路移植到了充电器,将发热源移植到了适配器,转移手机发热问题。

  VOOC闪充的充电器也有专门的芯片,名为MCU芯片,取代传统充电中的充电控制电路。这颗芯片可以自动识别当前充电设备是否支持VOOC闪充。另外,它的充电口,虽然也是MicroUSB,但有7针,电池也是特制,触点达到了8个。

  专门的适配器、电池、数据线、电路、接口,所有这一切都满足时候,才能开启闪充,实现4.5A大电流输出输入。如果检测到不支持,会自动使用稳定充电电流实现慢速充电。

  快充技术原理

  OPPO VOOC闪充对比1A及2A电流充电速度

  3,联发科快充技术——Pump Express

  联发科也推出了属于自家的快充技术——Pump Express,而且跟OPPO杠上了,联发科Pump Express 3.0快速充电技术,将一部手机电量从0冲到70%仅需20分钟,预计今年年底正式应用。号称充电5分钟通话4小时,OPPO的告铺天盖地,但也只是充电5分钟通话2小时。

  联发科Pump Express特点:允许充电器根据电流决定充电所需的初始电压,由PMIC发出脉冲电流指令通过USB的Vbus传送给充电器,充电器依照这个指令调变输出电压,电压逐渐增加至高达5V 达到最大充电电流。

  联发科目前有两种快充规格:

  (1)Pump Express为快速直流充电器提供的输出功率小于10W(5V),受控输出电压:5V/4.8V/4.6V/4.4V/4.2V/4.0V/3.8V/3.6V,主流输出功率:5V/1A & 5V/1.5A

  (2)Pump Express Plus为充电器提供的输出功率大于15W,其差别为受控输出电压增加了12V、9V 和7V 三个档位,为12V/9V/7V/5V/4.8V/4.6V/4.4V/4.2V/4.0V/3.8V/3.6V。

  联发科MTP Pump Express Plus的原理和高通Quick Charge大同小异,都是在保证充电电流2A的基础上,通过加大充电器到手机USB 端口的电压来实现更大的充电功率。

  4,TI MaxCharge

  TI MaxCharge快充技术集成了5A单节锂离子电池充电器电路,在电流高达5A的时候支持高达14V的输入电压。向下兼容高通Quick Charge 2.0的9V、12V两档电压,对联发科Pump Express Plus的7V、9V、12V支持也不在话下。与现有电池充电器相比,这款器件将充电时间减少一半以上,最高可将充电时间加少60%。

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