快速充电瑜亮之争已开局

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据说现代人的安全感来自于清晨出门时明媚的阳光,口袋里的钱包、钥匙,以及手机满格的电量。大太阳越来越可遇而不可求,我们确有把握的就是钱包、钥匙、手机。手机在生活中的地位越来越重要,我们越来越依赖它,但它却常常在关键时候显得那么不给力,“手机没电”让人抓狂。

在过去几年的时间里,手机完成了从功能机到智能机的蜕变,而电池技术则显得停滞不前。面对这一现状,半导体厂商开始从充电效率、电池容量、发热冷却等方面另辟蹊径,希望最大程度地改进锂电池及现有充电技术的瓶颈问题。“快速充电技术”也就是在这个时候进入了我们的视野中,快速充电技术的瑜亮之争已经拉开了序幕。

电池容量大了,充电时间怎么缩短?

在探讨快充技术前,先来回顾一下智能手机和过去几代电池的发展历程。智能手机经历了四代的发展后,电池容量终于有所突破。究其原因,并非是电池密度提升,而是因为手机屏幕变大后,电池的空间、容量也相应地得到了一点提升;其次,电芯电压有所提升,4.2V电池现在成为了4.3V,并且今年已经有很多厂商开始做4.4V电芯。

发展到第五代智能手机,当电池容量能够做到3000mAh时,已经对整个系统架构都带来了挑战,原来的适配器已经落伍了。这是因为很多标配的适配器都是5V/1A的,包括iPhone5s在内,这意味着其输出功率仅为5W。要给更大容量的电池充电,提升适配器的输出功率是非常必要的。


Fast charge


那么,只要提升了适配器的功率,就能让电池充电速度加快吗?假设电池的容量只有200mAh,是不是用个大功率的适配器能够让充电更快?答案是否定的。在这个过程中有一个误区需要澄清一下,即:电池充电速度和电池大小没关系。正常情况下,大容量和小容量的锂电池,所需的充电时间是一样的。

假设电池容量为3000mAh,如果用3000mA的电流给电池充电,那么1h就充满了,即充电速率为1C。而目前业界的标准要求充电速率为0.5C,即需要1500mA的电流充电,这样就要2h充满。当前市面上大部分的充电器都是以0.5C的规格来充电,这也是为什么几乎所有的手机、笔记本、平板电脑的充电时间都是2~3个小时。

如果继续提升至较为安全的0.7C的充电速率,即充电电流=3000mAh×0.7C=2.1A。那么问题就来了,2.1A显然已经突破了当前适配器的最大电流(5V/1.5A)。由此可见,今天的适配器在电池容量提升到3000mAh时,会导致充电速率降低,延长充电时间。

因此,探讨快速充电有两个问题需要重点把握,一是面对大容量电池如何提高充电速率,二是如何将充电时间进一步缩短。

提升电流还是电压?

为了加速手机充电速度,就必须在电池的充电功率上面下功夫。而为了达到大功率,根据功率=电压×电流,就意味着要在电压和电流这两个方面着手。当前市场上的快速充电解决方案,也不外乎是通过提升电流或是电压这两种方式来实现。

因为充电线缆的粗细程度有一定的规定,这些连线普遍不能支持2A以上的电流。根据P=I2R,电流提升则要求线缆的阻抗更小,因此需要更换现有的硬件才能实现。

提升电流方面典型的代表当属OPPO的VOOC技术,通过自有电路控制更大的电流稳定输入到手机上,同时还要保证手机电池的稳定以及电路的健康。这样一来,就需要定制的电源适配器以及特别的电路设计来实现,采用了VOOC技术的Find 7和一般手机有三个不同,一是电源适配器,一般手机上的适配器最大输出电流超不过2A,而OPPO为Find 7配备的适配器电流输出高达4.5A,同时它的体积也比一般充电器大很多,原因是内部电路丰富;第二是Find 7的电池上有八个触点,一般手机上只有四个;第三是手机的USB接口针脚为7pin,一般MicroUSB是5pin,这多出来的四个触点和两个针脚都是为VOOC服务的。

为了在不增加 USB 连接器成本的情况下提供较高的充电功率,似乎提高输入电压是更为合乎需要的选项。这方面的代表是高通的Quick Charge,早在去年高通骁龙 800 处理器发布之际,高通就为这新一代的处理器升级了 2.0 版的快速充电技术协议。从之前在骁龙 S4 Pro 处理器搭载的 Quick Charge 1.0 升级至如今的 Quick Charge 2.0。

这项技术能够将固定的直流电压转变为可变的直流电压,可以接受快速充电所需的高电压输入,从而达到提升手机充电功率完成充电提速的最终目的。通过采用 Quick Charge 2.0 技术的电源适配器,可以让搭载骁龙 800 处理器的智能手机,安全使用较大的充电功率来为手机提速充电。该项技术也是需要在充电器以及手机内部芯片上面做一定的处理,此外,它是与高通的处理器芯片捆 绑在一起的,目前还无法支持其他的处理器平台。

那么,我们还能不能有更多的选择?

MaxCharge更胜一筹?

TI刚推出的MaxCharge技术让人眼前一亮。与高通的做法一样,TI也是通过提升输出电压来减少充电时间。所不同的是,MaxCharge技术不需依赖处理器,可以独立识别并兼容普通的5V以及更高电压输出的专有适配器。

MaxCharge技术最大的优势是能提升功率而不增加损耗,因为功率=电压×电流,在提升电压的时候功率也是提高的,但由于电流没有变,保持在2A以下,线缆、适配器接口都不需更换。

TI电池管理产品(BMS)大中国区市场和应用部门经理文司华博士强调,MaxCharge可以独立识别并兼容普通5V以及更高电压输出的专有适配器。通常识别高压适配器有很多种方式,比如可以通过应用处理器来识别,例如高通、MTK。而TI的所谓“独立识别”,是指充电IC不需要其他任何芯片的介入,自己就能够识别适配器,包括5V以及更高电压的适配器。

而之所以能实现独立识别,主要是因为MaxCharge在D+/D-两个信号上有交换信号,可以和适配器交换信号;它也能够通过VBUS上的电流脉冲控制,通过数字信号解码去识别适配器。这样一来,它在遇到普通适配器时可以正常效率充电,而遇到专有适配器时就可以用高压充电。

文司华博士表示,与现有电池充电器相比,TI将充电时间减少了一半以上,最高可将充电时间减少60%,并使用户在实现快速充电的同时又不会受到发热过量的困扰。



Fast charge
 

TI新推出的bq25892开关模式充电器在最大限度地保持行业最快速充电时间所具有的优势的同时,为用户提供了更加安全的充电体验。为了提升用户体验,并延长众多锂离子应用中电子元器件的使用寿命,MaxCharge技术缩短了充电时间并减少了充电时产生的热量,这些应用包括智能手机、平板电脑、无人机、移动电源以及工业和医疗设备。

除了在适配器方面的灵活性,新推出的bq2589x系列在效率方面表现也非常出色。据文司华博士介绍,充电IC普遍效率是88%~89%,而bq2589x在输入电压为9V、电流为3.5A时充电效率提升至91%,温度仅上升18℃。他解释,温升直接决定了用户体验,很多设计都由于散热问题不得不采取折中的设计方式,因此提升效率是整个芯片设计里最重要的环节。


Fast charge


第三,MaxCharge能够实现更加安全的充电。设计人员通过控制IC温度并使用热调节环路优化热性能来减少过多散热,同时,通过与TI MaxLife电池电量计技术进行配对,可以确保便携式电子产品中更长的电池使用寿命和更加安全的充电。

分立充电IC是未来趋势

除了前述三大优势,MaxCharge产品系列还拥有一些有利于提供高充电电流的特性,其中之一就是电阻补偿 (IRComp)。高充电电流将在充电路径寄生电阻和内部电池阻抗上引起电压降。在过去的两年里,由于高能量密度的原因,电池单元的 1000mAh 归一化阻抗从 200mΩ 的中等水平增加了50%左右。较高的阻抗将导致充电过早地进入了恒定电压模式,从而使得充电时间延长。IRComp 把充电器端子电压增至高于电池调节电压(高出的幅度为 I x R 压降),以使充电器能够在恒定电流模式中停留足够长的时间,由此实现快速充电。

那么,在市场的推广过程中,TI又有哪些优势?毕竟同样是通过提升电压的方式,高通、MTK的处理器平台有非常成熟的生态系统。

对此,文司华博士表示,早先的功能机以及初期的3G手机,充电IC是包含在PMU(Power management Unit)中的,这部分可以由主平台厂商直接出货。近年来的趋势是,越来越多的客户关注充电体验、充电效率。如果把大电流充电IC集成在PMU中,PMU本身有好几个电压,再来个“发烫大户”是不现实的,所以,充电IC独立出来已经成为一个趋势。现在几乎各家旗舰机型,包括中端以上机型都采用单独的充电IC。所以从这个角度看,TI的解决方案符合充电IC的发展趋势,可以搭配任何主芯片平台使用,普适性更强。


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