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公私合“赢”

2020-01-16 08:04:46 《新潮电子》 2020年1期

想写这篇稿子其实已经很久了,起初就是9月17日OPPO在深圳的闪充技术发布会,但因为华为Mate 30系列德国的发布会错过,接着就是10月10日OPPO在成都发布Reno Ace,商用65W SuperVOOC 2.0,但又是因为TUV莱茵德国的行程,再加上各种出差,拖到现在才有功夫动笔。作为有严重充电强迫症和电量焦虑症的用户,我向来就非常重视充电这回事,也因为和充电头网的小妖站长认识时间很长,也入了非常多充电头的坑。但是丑话说在前头,个人只是从用户的角度来聊聊自己的感受,专业度上还有不少欠缺,大家就多多担待了。

充电的基础:协议

在OPPO Reno Ace发布之后,有两三个媒体朋友都在微信上问过我这个问题:“老徐,我如果用Ace,是不是MacBook Pro的充电器就不用带了,只用这一个?我看这个功率完全够用啊!”当然,我的回答肯定是不行的,协议都不通用,怎么能通用呢?就像操作系统的驱动一样,充电协议是整个手机充电的基础。

现在整个手机充电最基础的公有协议,就是BC1.2,即Battery Charge 1.2,在这个协议下,以USB DCP模式,可以5V1.5A的模式,提供最大7.5W的充电功率给手机充电。但是,光有这个协议功率肯定是不够的,因为它的功率实在是太低了,但也正因为这个基准,使得最早大家都把能超过10W的充电功率都称为快充,比如QC1.0规范的5V2A(10W)……

然后,各家芯片厂商也觉得这个规范下的功率远远不够用,因此借着自家推出手机芯片的机会,推出了自家的快充协议,以达成最快的充电效率。理论上,只要采用了这些芯片组,就能实现这些快充协议下的快充功率,因此,我们也习惯性地将这些来自芯片厂商的快充规范称为公有协议,目前主要有:

高通家的QC(Quick Charge),最新版本

QC4.0+,在手机产品上的最高功率可达28W(针对平板类产品可以达到60W);

·MTK家的PE(Pump Express),最新版本PE3.0,支持提供超过30W以上的充电功率(6V5A);

但进入2017年之后,特别是到了2019年,PD充电协议,因为PD协议采用的USB Type-C接口天生就有着大电流多功能的优势。随着PPD 3.0版本之后,又扩展出来的PPS(Programmable Power Supply)协议,更是体现出一统天下的架势,这个我们留待后边再说……

既然有公有协议,那么对应的肯定就有私有协议。其实准确地说,这些私有协议有些是厂商自己搞出来的,有些则是通过“魔改”公有协议的结果,还有些则是营销需求改了名字(看表格就好,这里就不细说了),但这并不重要,消费者只需要关注最后的结果就好了。

高压、低压与直充

说完了充电协议,接下来就要聊到充电的细节了。先简单说说充电的原理,这一块其实大家了解得都比较多了。这里必须要涉及到几个初中物理上学到的关于功率的公式:电功率公式P=IU(I为电流,U为电压)和热功率公式P=I2R(R为电阻)。

充电的过程,其实就是一个功率搬运的过程,充电头那边,将220V交流电转换为直流电,再通过数据线传递到手机端,再进入电池完成充电。还是以最基础的充电协议USB DCP为例,其最大充电功率为7.5W,分解为电流和电压要素就是1.5A电流和5V电压。但是手机使用的锂电池标准电压一般是3.7V,而能给它充电的电压一般是不能高过4.2V的(其实我们常见手机电池电量显示功能,就是根据电池实际输出电压的高低来判断的,而充电是否充满,也是则锂电池内部的芯片根据锂电池的电压状态来判断。),所以这个5V的电压并非会全部被电池吸引,因为整个充电的电路加上线材、芯片以及电池等各个因素消耗,为了能保证充电的效率,充电头提供的电压需要高于4.2V。

根据电功率公式,想要提高充电的功率,可以采用提升电流和电压的方式来进行,但是,后边的热功率公式又给出了限制:在电路其他要素不变的前提下,电流提升,那么整个电路产生的热量会以几何级数提升。这不仅仅是一个安全的问题,还是涉及到效率的问题:一般锂电池的安全温度是43°C,高于这个温度,电池就会降低电压电流以策安全,而极限的安全温度一般是53°C。其实采用电功率与热功率公式之間平衡效率最典型的例子就是超高压输变电——在这个领域,其实也是和充电一样的功率搬运动作,只是这个功率要大太多太多了,超高压输电就是将输电电压提升到上百KV,将电流尽可能变小,从而将电量传输过程中各个环节的热损耗降到最低。

同样的原理,在QC1.0协议将快充定义为5V2A之后,早期的快充标准就普遍将提升充电功率的途径选择为提升电压——按前边说到的,这个电压主要就是充电头的输出电压。比如要达到常见的18W快充功率,可以采用5V3.6A、9V2A、12V1.5A等几个参数配置,而后两者我们见得比较多,原因就是热功率的限制所在。这里还有两个原因,第一,想要让线材等整个电路相关元件承受更大的电流,成本会增加,比如更粗的线材会有更低的电阻,很多厂商对此都会有更现实的考量;第二,早期MicroUSB本身的比较普遍的电流承受力上限是2A,但是在电气领域,不用到极限留出冗余是共识,所以1.5A这个档位会用得比较多。想要强化这个能力,就需要定制,比如第一代OPPO VOOC闪充功率是20W~25,5V4A~5V5A的配置,所以采用了定制的7Pin线材来解决这个问题。这也是为什么很长一段时间,智能手机的充电功率都上不去,唯独OPPO VOOC一枝独秀领跑的原因所在——投入高带来的收益自然就高了,这也让OPPO的VOOC在之前高压快充为主流的市场中,以低压直充的理念显得相当的不同。

何为低压直充?它是相对于高压快充而言的。在高压快充的系统中,送入手机的充电功率,需要在手机内部的转换电路对电压进行转换,变为可以进入电池的合格的电压电流,在这个过程中,转换电路会因为功率的损耗。理想的解释为,比如充电功率为18W,转换电路的效率为95%,那么理论上就会有0.9W的功率损耗,而剩余的功率在充入电池的过程中,因为电池还有内阻,又会发热,这所有的热量如果都被积聚在手机小小的空间里,带来的温升是很可观的。如果同时再使用手机,屏幕、SoC也会发热,这就会造成手机电池迅速达到安全控制的阈值,所以,很多高压快充的手机在亮屏时,都会自动关闭快充功能,最起码就是要将转换电路的发热给控制住,保证安全。

由于充电头内部的电路结构、工作方式决定,完成充电过程中的恒压恒流,简直是举手之劳,不会额外增加多少发热,而且同时手机内部没有转换机构,所以发热自然就会变低很多,主要考虑的发热就是来自电池的内阻,而电池的内阻本身就很小,而且还可以通过其他手段来化解,比如极耳中置主要目的就是这个,另外还可以通过双电池分流这样的手段,让电池更快地接受充电功率。

从潜力上来看,低压直充是非常非常大的。早期VOOC量产的时候,是25W功率,但很快就改到了20W,因为相比之下,竞争对手的高压快充太不“经打”了,不需要徒增成本。其实最早的时候,VOOC就已经可以顶到40W的功率,而VOOC充电线虽然长时间只需要工作在4A的条件下,但其实OPPO设计时的冗余是7A。之前华为采用FCP(Fast Charge Protocol)是高压方案,其实是可以兼容QC的,然后就是到2016年12月推出的荣耀Magic,直接拿出了5V8A,功率高达40W的Magic Power低压快充方案,但是因为满功率充电的持续时间极短,因此口碑一般;到了2017年下半年的Mate10Pro发布时,也推出了自家的低压大电流充电方案SCP(Super Charge Protoco)l,22.5W(5V4.5A)。需要提到的是,虽然名字一样,但现在华为手机上用到的40W SCP原理和那个时候的SCP并不一样。同样的,vivo在2016年底推出的X9 Plus和2017年下半年推出的X20 Plus上也“悄悄”采用了22.5W(5V4.5A)的低压快充,然后在2018年上半年推出的新机上改为了另一种协议,名字和功率倒是没变,还是叫Flash Charge,但原理也变了。但无论怎么变化,我们都可以看出,低压直充的好处是很多,但是缺点也非常明显:专属器材带来的高成本,通用性差,上到通用型充电器上就慢如龟速,用户对此颇有微辞……

虽然低压直充看起来有各种各样的优势,但是它也不是没有缺点,主要的问题就是成本高昂,特别是对比高压方案,在手机端没有降压芯片系统做中和,所以随着电池充电进程电压升高,充电器需要与手机端不断进行信息交换做输出电流和电压的调整,这对整个充电链条的所有设备都有相当高的要求。反过来看高压方案呢,高通和后边要提到的PD协议,都认为要通过电压和电流的精确调整,进一步提升充电效率:比如QC 2.0会在5V/9V/12V几个固定档位电压里进行调整,而到了QC 3.0和PD2.0,则允许从3.6V进步,以0.2V为单位进行更加精准的调节。纵然如此,由于高压充电天生的缺陷,特别是接口的问题,让功率的进一步提升还是很难。

随后,USB Type-C接口出现了,这个接口原生最大的功率可以达到100W,最大支持電流可以达到5A。从参数上来看,USB Type-C是个好接口,但它并不是没有缺点的:USB Type-C这个接口本身是诞生于电脑领域,作用之一是用来统一各种数据接口,而放在充电这个应用上,USB Type-C接口本身支持5V/9V/12V/15V/20V等多个电压,但是它最初并不是为手机充电而准备的,直到伴随着这个接口诞生的充电协议USB-PD(USB Power Delivery)出现,才让它真正和手机之间有了更有趣的互动——没有协议的支持,甚至会出现手机与电脑USB-C口连接之后,手机给电脑充电的尴尬局面。

看到这里可能很多人会懵:这是什么情况?简单点说,不要看到一个采用USB-C接口输出的充电器,就认为它能支持PD快充。因为在没有协议支持的前提下,这个接口只能最多提供给你的手机5V3A,15W的充电功率,其他的充电档位,一定要有协议的支持才行。而且,USB-PD还解决了一个问题:它通过USBPD3.0(PPS,Programmable Power Supply)的协议升级,完成了对前边我们看到的很多厂商自主快充协议的兼容,包括高通QC、联发科PE、华为FCP和SCP以及OPPOVOOC,也就是说快速充电的实现会因为这个协议的出现变得更加简单,而PPS协议的出现,就是前边提到的充电的一个要素:电流电压的实时侦测和无极调节。

有意思的是,PPS协议因为兼容了SCP和VOOC协议,也意味着它也接受并支持了直充的概念,前边说到,PD协议虽然可以提供高达100W的充电功率,但是它的档位并不适合手机,而PPS协议的出现,则能提供诸如3.3V~11V/3A这样更加适合手机充电的档位,然后在充电器端完成恒压恒流,在充电的过程中与设备进行双向通讯,从而实现更高效,发热更低的直充。同时,广泛的协议支持,也解决了私有协议通用性不强,成本偏高的问题,这对用户肯定是相当友好的,因为理论上用户可以实现用一个PD充电器搞定更多设备充电的事儿!只不过目前看除了三星45W充电是原生支持PPS协议之外,其他厂商(包括小米的40W),在兼容上都显得有些“暧昧”,毕竟自己花了不少成本弄出来的私有协议,更多代表着面子问题和收益问题——这就是为什么现在很多PPS用在一些私有协议的手机上,却无法实现比5V3A这个指标更快充电功率的原因所在。

老树新花的电荷泵

高压充电、低压充电和PPS充电,上一个章节都说得差不多了,但是,这些充电技术都面临着一个问题:当充电功率提升到一定数值之后,再进一步大家都面临着难题,高压方案不可能一味将电压再往上提升,而低压方案也不可能一味将电流再加大,实验室的华丽数据和量产之间还是有鸿沟的。比如2016年在MWC上,OPPO推出的80W超级闪充技术,电流已经高达16A,从技术上看,线材承受这样的电流倒是问题不大,但是这个电流对接口却是危险的——不信快充的时候,有兴趣的朋友可以用手去感受一下接口端的发热量。

而就在此一年之后,即2017年的MWC上,魅族亮相了名为Super mCharge的充电技术,功率高达55W,虽然它的功率在数值上比OPPO还差点,但是这项技术的参数却是令人眼前一亮:10V5.5A,但它却并非是传统的高压充电技术,一个“新”名词由此进入了大众的视野:电荷泵。是的,这是整个业界针对手机充电功率未来进一步提升的共识,平衡各方面因素之后,还是提升电压可能更稳当一点。

大家不要认为电荷泵是个新技术,这项技术早在20世纪就已经存在了。它的优点是转换效率极高,比如现在采用得比较多的IT的BQ2597X开关式电容电荷泵充电芯片,它的标称转换效率达到了97%,是传统高压充电所无法比拟的,但是它的缺点也很明显,就是其对电流的承受力非常弱,传统电荷泵一般工作电流只有几百mA,放在动辄以A为单位的手机充电上可不行。但是通过魅族和安森美半导体(ON Semiconductor)一起改进,改进了电荷泵技术,让它可以更好的用于手机充电。比如前边提到的BQ2597X芯片,就能承受高达8A的电流……而且很多电荷泵芯片在推出的时候还有一个特点:就是它能做到具备电荷泵技术的同时,还能兼容QC/PPS这些传统的高压协议,也就是用户旧的充电器也可能能用。

这一切看起来都非常美好。2018年推出的魅蓝E3就搭载了电荷泵技术,但是商用功率只有10V2A,20W;然后差不多同时期推出的vivo NEX旗舰机也采用了这项技术,功率为10V2.25A,22.5W;2018年6月,OPPO Find系列旗舰重现江湖,Super VOOC充电功率达到50W,虽然还是祖传的低压大电流方案,但在手机内部的供电机制上采用了电荷泵技术;2018年下半年,华为Mate20Pro发布,40W快充也是电荷泵技术,10V4A;步入2019年,电荷泵技术更是显出一发不可收拾的喜人局面,华为MateX将SCP的功率推高到50W(10V5A),随后上市的iQOO,则将44W(10V4.4A)电荷泵技术成功商用,到了夏天的MWCS2019上,vivo亮相120W的Super FlashCharge,也是基于电荷泵技术……此外,传闻中小米正在计划商用2019年上半年宣布的Super Charge Turbo 100W快充技术,也是基于该项技术。

而且,电荷泵这项技术在手机上的运用还代表着手机功率的上限在理论层面被大大提升。三个方面来看:1.现阶段都是采用一级降压的方案,即10V-5V,就已经能在电流不增大很多的前提下,将充电功率提升1倍,如果在充电头端和手机端,各增加一枚电荷泵芯片,做到两级降压,即20V-10V-5V,那么电流不变,充电功率就还能再提升一倍,但这个方案会因为芯片的增加带来成本的提升,同时还要考虑散热这些问题;2.如果像OPPOSuperVOOC那样采用串联电池分压的方式(vivo 120W方案个人觉得就是这样),也同样可以实现充电功率翻倍的结果,只是电池同步配对对于供应链的要求会更高;3.就是采用高压电池,现在我们采用的手机电池都是3.7V的电芯,如果将电池电压提升一倍,但像OPPO Super VOOC那样在放电端加上一级电荷泵降压给手机系统供电也是可行的,这样充电头端就可以直接采用20V输出到手机,再做20V-10V降压就可以给高压电池充电了,但这也需要成本。

不过这都是理论上的,如果大家仔细看过了前边那一堆文字,肯定就知道随着充电功率变得越来大,整个系统的风险会提升,容错率也会变得更低,而且像USB Type-C接口原生的功率就只有100W,想要突破这个上限,又涉及到接口的改动。同时,线材、接口等部件的承受力,电化学性能,也都面临着挑战。这背后,都是一项项成本,实验室数据,并不代表着商用数据,复杂的用户使用场景也会给大功率充电带来更多安全方面的挑战,只有留待手机厂商与上游供应链一项项的来解决。

快充与电池,相爱相杀

前边聊了这么多快充技术,我们绝对不能忘记整个快充链条重要的一环:电池。这个小东西——它的确是小东西,哪怕是电动汽车上庞大的动力电池包,也是一节节的小电池组成的,它是整个充电的终点,也是驱动整个手机系统运作的起点,我们肯定不能忘了它。但在这篇文章里,我只想解答这样两个问题,相信也是很多消费者关注的:为什么电池不能做得很大来解决续航的问题?快充是否伤电池?

电池能不能做得很大来解决续航的问题?当然可以。但是,它带来的问题也是显而易见的,那就是重量。比如我们现在能见到的5G手机,几乎都加入4000mAh及以上容量的锂电池,而它们的重量也是水涨船高,对便携性的过多侵占,是很多消费者都不能接受的,所以,一般来说,厂商也都会在这些方面进行平衡。而且,电池也可以通过提升能量密度的方式来提升容量,但是能量密度过大,会影响充电速度的提升,考虑到这个问题,厂商也会在充电功率和能量密度之间做平衡,这也是为什么现在手机电池容量都会处于一个比较常见参数区间,也就是说业界对此是有共识的。

然后就是快充是否伤电池的问题,首先,这个问题的答案是:No!电池的循环寿命,也就是电池充、放电循环次数,以容量降低到只有80%容量时的充放电循环为依据(一块电池累计放电容量达到标称容量的80%~85%再充满,一般视为一个充放电循环)。根据电池的材料体系,比如标称800个循环(次数),要考虑电池的能量密度、工作适应的温度区间、允许的充放电倍率、物理化学的稳定性能等条件下的一个平衡,综合考虑后的一个个最优的,能满足手机使用要求的结果。如果只考虑循环壽命,可以做到很高,比如采用钛酸锂材料,可以做到上万次的寿命,但是能量密度太低,同等体积容量太小,无法接受。这段话更简单的理解就是:只要电池在进行充放电,无论快充慢充,它的寿命都是在消耗的,不必纠结。不过,锂电池倒是的确有健康使用的问题,长

期过度充放电——哪怕电池内部有芯片做过度充放电保护,这的确会对电池本身的寿命有所影响。锂电池本身的特性就是没有记忆效应,随用随充,浅充浅放,让电池保持在一个较高的电量水平,反而会对电池本身的健康更有好处,别忘了,电池的循环次数的计算方式可不是按你拔插一次充电头来计算的,而是以累计充放电的容量来计算的,比如丰田的混动汽车锂电池,其充放电策略就是尽量保持在50%~70%之间,以更好地保持锂电池本身的状态。

一般来说,电池充电在90%的电量之下,功率输入会比较“随意”,即我们常说的恒流阶段,但电量达到90%或95%之后,就会进入非常“小心”的充电阶段,即恒压阶段,电流会变得较小,以保证最后充电阶段的安全,而这个阶段会变得特别漫长,比如华为手机,在充电到90%之后,充电指示灯就会由红变绿,提示用户这个时候充电的效率较低,你要是等不了就可以拔下充电线使用了。

但是,这个问题随着一个解决方案的出现也有所改善,这就是OPPO刚刚随SuperVOOC 2.0技术更新的VFC算法。它是OPPO与电池大厂ATL一起联合研发的,基于对大量电芯充电过程数据变化的总结而得出的,在这项算法的“指导”下,采用SuperVOOC2.0充电技术的OPPO Reno Ace会在充电的最后阶段,依旧以5V3A,15W的功率将电池充至100%,这在过去是不敢想象的。更有意思的是,这是一项基础技术,不受限于上层协议和技术框架,也就是说不仅仅是SuperVOOC2.0技术下它有效,对于采用VOOC4.0,像OPPO Reno Ace兼容的QC/PD充电协议也一样管用,甚至其他厂商也可以通过代码植入的方式达到支持。对此我的评价是:“OPPO Reno Ace是90%~100%这个阶段充电最快的手机。”对于有充电强迫症,不充到100%不罢休的消费者来说,非常管用,也算是节约充电时间,提升充电效率的另一个层面的进步吧。

写在最后

这篇文章很长,其实它应该更长的,因为我本来还规划了无线充电的环节,但看看字数,我还是决定就此打住,之后有时间再弄。以现在网络上大部分朋友的阅读习惯,要看完这篇文章,几乎是不可能完成的事,而对于我来说,更像是一次充电知识的总结和梳理吧,写东西,最先要让自己开心才行。

2017年底,中国通信标准化协会宣布《移动通信终端用快速充电技术要求和测试办法》基本制定完成,明确定义“快速充电”并统一充电方式及通信协议,即“快充”的国家标准,它所定义的“快充”,即在30分钟之内,进入手机的平均电流大于3A,或者在30分钟内能将电池电量从0充到60%。看过前边这些内容,大家应该能明白为快充标准为什么要这样定义了吧,这的确是平衡了充电功率和效率,以及用户手机使用习惯等各方面因素。

记得2019年上半年专访华为的李小龙时,他提到“现在消费者平均的月流量是几个GB”,等到下半年再聊到这件事儿的时候,几个GB就已经变成了十多个GB,但总结是不变的:“这背后都代表着用户手机使用时间的大幅度增加。”是的,每天只有24小时,手机在用户手上呆着的时间越长,留给充电的时间当然就越短了。我相信没有消费者愿意花更多的时间在充电这件事上,这大概就是快充为什么越来越受大家关注的原因吧。不需要一定要充满100%,只要能以最短的时间,让手机尽可能多的回复更多电量,这就够了。从我的使用来看,只要能有超过20W的充电功率,应付当下大部分的手机电池都已经够了,但是,它并不能满足用户的需求,因为大家都希望充电的时间能变得越来越短,短到没有感觉,手机就已经满血复活了。

最后再说一个个人观点:只做快充,不做对应私有协议充電宝的行为,都是耍流氓,要么,就最起码兼容一个公有快充协议吧。公私才能合“赢”,在快充这件事上,用过根本就回不去了!