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據說現代人的安全感來自于清晨出門時明媚的陽光，口袋里的錢包、鑰匙，以及手機滿格的電量。大太陽越來越可遇而不可求，我們確有把握的就是錢包、鑰匙、手機。手機在生活中的地位越來越重要，我們越來越依賴它，但它卻常常在關鍵時候顯得那么不給力，“手機沒電”讓人抓狂。 在過去幾年的時間里，手機完成了從功能機到智能機的蛻變，而電池技術則顯得停滯不前。面對這一現狀，半導體廠商開始從充電效率、電池容量、發熱冷卻等方面另辟蹊徑，希望最大程度地改進鋰電池及現有充電技術的瓶頸問題。“快速充電技術”也就是在這個時候進入了我們的視野中，快速充電技術的瑜亮之爭已經拉開了序幕。 電池容量大了，充電時間怎么縮短？ 在探討快充技術前，先來回顧一下智能手機和過去幾代電池的發展歷程。智能手機經歷了四代的發展后，電池容量終于有所突破。究其原因，并非是電池密度提升，而是因為手機屏幕變大后，電池的空間、容量也相應地得到了一點提升；其次，電芯電壓有所提升，4.2V電池現在成為了4.3V，并且今年已經有很多廠商開始做4.4V電芯。 發展到第五代智能手機，當電池容量能夠做到3000mAh時，已經對整個系統架構都帶來了挑戰，原來的適配器已經落伍了。這是因為很多標配的適配器都是5V/1A的，包括iPhone5s在內，這意味著其輸出功率僅為5W。要給更大容量的電池充電，提升適配器的輸出功率是非常必要的。 那么，只要提升了適配器的功率，就能讓電池充電速度加快嗎？假設電池的容量只有200mAh，是不是用個大功率的適配器能夠讓充電更快？答案是否定的。在這個過程中有一個誤區需要澄清一下，即：電池充電速度和電池大小沒關系。正常情況下，大容量和小容量的鋰電池，所需的充電時間是一樣的。 假設電池容量為3000mAh，如果用3000mA的電流給電池充電，那么1h就充滿了，即充電速率為1C。而目前業界的標準要求充電速率為0.5C，即需要1500mA的電流充電，這樣就要2h充滿。當前市面上大部分的充電器都是以0.5C的規格來充電，這也是為什么幾乎所有的手機、筆記本、平板電腦的充電時間都是2~3個小時。 如果繼續提升至較為安全的0.7C的充電速率，即充電電流=3000mAh×0.7C=2.1A。那么問題就來了，2.1A顯然已經突破了當前適配器的最大電流（5V/1.5A）。由此可見，今天的適配器在電池容量提升到3000mAh時，會導致充電速率降低，延長充電時間。 因此，探討快速充電有兩個問題需要重點把握，一是面對大容量電池如何提高充電速率，二是如何將充電時間進一步縮短。 提升電流還是電壓？ 為了加速手機充電速度，就必須在電池的充電功率上面下功夫。而為了達到大功率，根據功率＝電壓×電流，就意味著要在電壓和電流這兩個方面著手。當前市場上的快速充電解決方案，也不外乎是通過提升電流或是電壓這兩種方式來實現。 因為充電線纜的粗細程度有一定的規定，這些連線普遍不能支持2A以上的電流。根據P=I2R，電流提升則要求線纜的阻抗更小，因此需要更換現有的硬件才能實現。 提升電流方面典型的代表當屬OPPO的VOOC技術，通過自有電路控制更大的電流穩定輸入到手機上，同時還要保證手機電池的穩定以及電路的健康。這樣一來，就需要定制的電源適配器以及特別的電路設計來實現，采用了VOOC技術的Find 7和一般手機有三個不同，一是電源適配器，一般手機上的適配器最大輸出電流超不過2A，而OPPO為Find 7配備的適配器電流輸出高達4.5A，同時它的體積也比一般充電器大很多，原因是內部電路豐富；第二是Find 7的電池上有八個觸點，一般手機上只有四個；第三是手機的USB接口針腳為7pin，一般MicroUSB是5pin，這多出來的四個觸點和兩個針腳都是為VOOC服務的。 為了在不增加 USB 連接器成本的情況下提供較高的充電功率，似乎提高輸入電壓是更為合乎需要的選項。這方面的代表是高通的Quick Charge，早在去年高通驍龍 800 處理器發布之際，高通就為這新一代的處理器升級了 2.0 版的快速充電技術協議。從之前在驍龍 S4 Pro 處理器搭載的 Quick Charge 1.0 升級至如今的 Quick Charge 2.0。 這項技術能夠將固定的直流電壓轉變為可變的直流電壓，可以接受快速充電所需的高電壓輸入，從而達到提升手機充電功率完成充電提速的最終目的。通過采用 Quick Charge 2.0 技術的電源適配器，可以讓搭載驍龍 800 處理器的智能手機，安全使用較大的充電功率來為手機提速充電。該項技術也是需要在充電器以及手機內部芯片上面做一定的處理，此外，它是與高通的處理器芯片捆 綁在一起的，目前還無法支持其他的處理器平臺。 那么，我們還能不能有更多的選擇？ MaxCharge更勝一籌？ TI剛推出的MaxCharge技術讓人眼前一亮。與高通的做法一樣，TI也是通過提升輸出電壓來減少充電時間。所不同的是，MaxCharge技術不需依賴處理器，可以獨立識別并兼容普通的5V以及更高電壓輸出的專有適配器。 MaxCharge技術最大的優勢是能提升功率而不增加損耗，因為功率=電壓×電流，在提升電壓的時候功率也是提高的，但由于電流沒有變，保持在2A以下，線纜、適配器接口都不需更換。 TI電池管理產品（BMS）大中國區市場和應用部門經理文司華博士強調，MaxCharge可以獨立識別并兼容普通5V以及更高電壓輸出的專有適配器。通常識別高壓適配器有很多種方式，比如可以通過應用處理器來識別，例如高通、MTK。而TI的所謂“獨立識別”，是指充電IC不需要其他任何芯片的介入，自己就能夠識別適配器，包括5V以及更高電壓的適配器。 而之所以能實現獨立識別，主要是因為MaxCharge在D+/D-兩個信號上有交換信號，可以和適配器交換信號；它也能夠通過VBUS上的電流脈沖控制，通過數字信號解碼去識別適配器。這樣一來，它在遇到普通適配器時可以正常效率充電，而遇到專有適配器時就可以用高壓充電。 文司華博士表示，與現有電池充電器相比，TI將充電時間減少了一半以上，最高可將充電時間減少60%，并使用戶在實現快速充電的同時又不會受到發熱過量的困擾。 TI新推出的bq25892開關模式充電器在最大限度地保持行業最快速充電時間所具有的優勢的同時，為用戶提供了更加安全的充電體驗。為了提升用戶體驗，并延長眾多鋰離子應用中電子元器件的使用壽命，MaxCharge技術縮短了充電時間并減少了充電時產生的熱量，這些應用包括智能手機、平板電腦、無人機、移動電源以及工業和醫療設備。 除了在適配器方面的靈活性，新推出的bq2589x系列在效率方面表現也非常出色。據文司華博士介紹，充電IC普遍效率是88%~89%，而bq2589x在輸入電壓為9V、電流為3.5A時充電效率提升至91%，溫度僅上升18℃。他解釋，溫升直接決定了用戶體驗，很多設計都由于散熱問題不得不采取折中的設計方式，因此提升效率是整個芯片設計里最重要的環節。 第三，MaxCharge能夠實現更加安全的充電。設計人員通過控制IC溫度并使用熱調節環路優化熱性能來減少過多散熱，同時，通過與TI MaxLife電池電量計技術進行配對，可以確保便攜式電子產品中更長的電池使用壽命和更加安全的充電。 分立充電IC是未來趨勢 除了前述三大優勢，MaxCharge產品系列還擁有一些有利于提供高充電電流的特性，其中之一就是電阻補償 (IRComp)。高充電電流將在充電路徑寄生電阻和內部電池阻抗上引起電壓降。在過去的兩年里，由于高能量密度的原因，電池單元的 1000mAh 歸一化阻抗從 200mΩ 的中等水平增加了50%左右。較高的阻抗將導致充電過早地進入了恒定電壓模式，從而使得充電時間延長。IRComp 把充電器端子電壓增至高于電池調節電壓（高出的幅度為 I x R 壓降），以使充電器能夠在恒定電流模式中停留足夠長的時間，由此實現快速充電。 那么，在市場的推廣過程中，TI又有哪些優勢？畢竟同樣是通過提升電壓的方式，高通、MTK的處理器平臺有非常成熟的生態系統。 對此，文司華博士表示，早先的功能機以及初期的3G手機，充電IC是包含在PMU（Power management Unit）中的，這部分可以由主平臺廠商直接出貨。近年來的趨勢是，越來越多的客戶關注充電體驗、充電效率。如果把大電流充電IC集成在PMU中，PMU本身有好幾個電壓，再來個“發燙大戶”是不現實的，所以，充電IC獨立出來已經成為一個趨勢。現在幾乎各家旗艦機型，包括中端以上機型都采用單獨的充電IC。所以從這個角度看，TI的解決方案符合充電IC的發展趨勢，可以搭配任何主芯片平臺使用，普適性更強。 |
