突破24W限制手機(jī)快譯功率緣何越來越高

24W的門檻限制

智能手機(jī)對(duì)“快充”的參數(shù)指標(biāo)總是隨時(shí)間而不斷增大的。比如，在充電標(biāo)準(zhǔn)還以5V/1A為主的時(shí)代，5V/2A（10W）就算快充;在5V/2A一統(tǒng)江山后，只有功率超18W才能被冠以快充的稱號(hào)。

在快充技術(shù)的發(fā)展歷史中，又逐漸衍化出了“低壓高電流”（如OPPO VOOC、-加DASH、華為SFCP）和“高壓低電流”（如高通QC2.0、華為FCP）兩大陣營，但前者受制于“P=I^2*R”這個(gè)公式，電流大小多在4A左右;后者受制于高低電壓的轉(zhuǎn)換（電壓轉(zhuǎn)換的損失會(huì)直接轉(zhuǎn)換為熱量），大都以9V電壓為充電標(biāo)準(zhǔn)。以上，就導(dǎo)致快充功率普遍在10W到24W之間徘徊的現(xiàn)象。

不斷突破的充電功率

誕生于2016年底的榮耀Magic應(yīng)該是首次刷新快充紀(jì)錄的手機(jī)，這款產(chǎn)品采用了5V/8A的“低壓超大電流”方案（Magic Power技術(shù)），可以實(shí)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)看來非常夸張的40W充電功率（圖2）。

榮耀Magic的特色在于繞過了手機(jī)里的充電管理IC，將DC-DC降壓的過程放到了充電器端，由充電器直接產(chǎn)生恒流源對(duì)電池充電，從而避免了機(jī)身內(nèi)部“高壓→低壓”轉(zhuǎn)換帶來的高發(fā)熱。同時(shí)，榮耀Magic還大幅增加了USB Type-C充電線的線材直徑，用以承受最高8A的大電流，緩解來自“P=I^2*R”的發(fā)熱壓力（如果阻抗不變，發(fā)熱量是電流平方的數(shù)倍）。當(dāng)然，像榮耀Magic的這種低壓超大電流方案，無論是充電器還是線纜都需要專門定制，其成本最終都將轉(zhuǎn)嫁到消費(fèi)者身上。

在2017年初，魅族還曾發(fā)布過“Super mCharge”快充技術(shù)，它采用了11V/5A“高壓高電流”方案，可實(shí)現(xiàn)55W的充電功率（圖3）！ 和Magic Power相比，Super mCharge無需單獨(dú)定制充電器和線纜，也不需要改動(dòng)當(dāng)前產(chǎn)品的電路設(shè)計(jì)，它的核心在于一顆擁有更高轉(zhuǎn)換效率的充電單元——電荷泵（Charge Pump）。雖然SupermCharge技術(shù)直到2019年初也沒能商業(yè)化量產(chǎn)，但電荷泵卻已然成為了近期眾多超過24W快充技術(shù)的幕后英雄。

電荷泵的工作原理

正如前文所述，手機(jī)充電器端的輸出電壓多以5V、9V和12V三個(gè)檔位為主，而手機(jī)內(nèi)置電芯（電池）的輸入電壓則多在3.3V到4.35V之間，這意味著充電過程需要經(jīng)過電路降壓，損失的能量將以熱量的方式呈現(xiàn)出來。問題來了，降壓環(huán)節(jié)都是由充電IC來負(fù)責(zé)，而這顆IC基本都集成在手機(jī)內(nèi)部，哪伯是高品質(zhì)的充電IC，其轉(zhuǎn)換效率也多在89%左右。

換句話說，當(dāng)手機(jī)以18W功率充電時(shí)，會(huì)有大約2W的功率被轉(zhuǎn)換為熱量;當(dāng)以24W功率充電時(shí)則會(huì)提升到3W，而這就是很多原本支持最高12V/2A的快充技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中卻多被限制在了12V/1.5A和9V/2A等保守檔位上的原因（圖4）。

電荷泵技術(shù)是一種DC-DC轉(zhuǎn)換器，它利用電容作為儲(chǔ)能單元進(jìn)行電壓變換，在本質(zhì)上依舊是一顆充電IC，只是其轉(zhuǎn)換效率可以從普通充電IC的89%提升到98%左右，還可選擇在電壓減半的同時(shí)電流倍增的功能。電荷泵的超高轉(zhuǎn)換效率可極大地緩解手機(jī)充電時(shí)的發(fā)熱問題，哪伯在40W功率的充電狀態(tài)下也僅有1W的損失被轉(zhuǎn)換成了熱量，比以往的18W還要“清涼”。

接下來，我們就來看看電荷泵技術(shù)在新款手機(jī)上的應(yīng)用情況。

華為/榮耀的40W快充

無論是華為Mate 20 Pro帶來的HUAWEI SuperCharge，還是榮耀Magic 2所支持的新一代MagicCharge，都可實(shí)現(xiàn)高達(dá)40W的充電功率（10VAA）（圖5）。然而，這兩項(xiàng)技術(shù)的原理卻和第一代榮耀Magic的40W快充有著本質(zhì)上的區(qū)別。

華為/榮耀的40W快充技術(shù)背后的秘密就是電荷泵，其原裝充電器將10V的輸出電壓和4A的輸出電流通過USB Type-C接口送進(jìn)手機(jī)，再由手機(jī)內(nèi)部的電荷泵將電芯的充電電壓降到5V，同時(shí)還將充電電流從4A提升到8A，最終在手機(jī)內(nèi)部營造出了一個(gè)5V/8A低壓大電流的充電環(huán)境（圖6）。以榮耀Magic2（3500mAh）為例，只需15分鐘就能充到50%，30分鐘就能充到85%。

當(dāng)然，在這個(gè)過程中少不了對(duì)電荷泵的智能監(jiān)控，并根據(jù)手機(jī)內(nèi)的溫度通知充電器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電壓和電流參數(shù)。此外，由于這套方案充電器端的輸出電流只有4A，所以市面上任何一根支持5A電流的USBType-C數(shù)據(jù)線都能搭配Mate 20 Pro/Magic 2的原裝充電器對(duì)手機(jī)進(jìn)行40W快充，并向下兼容華為/榮耀早前的22.5W超級(jí)快充和18W快充標(biāo)準(zhǔn)。

iQOO的44W快充

作為vivo的子品牌，iQOO手機(jī)除了武裝驍龍855外，另外一個(gè)主打賣點(diǎn)就是高達(dá)44W（11V/4A）的vivo SuperFIashCharge超快閃充技術(shù)了（圖7）。和華為/榮耀的40W超級(jí)快充相似，iQOO超快閃充技術(shù)依舊是電荷泵技術(shù)的受益者，兼容任意一根支持5A電流的USBType-C數(shù)據(jù)線。

iQOO手機(jī)的特色在于同時(shí)采用了兩顆電荷泵充電IC（圖8），并將它們分別安置在電池兩側(cè)（雙IC雙路分離式）來優(yōu)化系統(tǒng)溫升，同時(shí)引入了FFC和mCU控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)并控制充電狀態(tài)，并與原裝的充電器進(jìn)行通信，按需調(diào)整充電器的輸出功率，確保充電始終維持在最高的工作效率。

在兩顆電荷泵充電}C的幫助下，即使是8A的電流峰值，每顆充電}C的最高工作效率都能達(dá)到97%，峰值充電時(shí)間是單顆電荷泵的2倍到3倍，輕松地讓iQOO手機(jī)（4000mAh）15分鐘充進(jìn)50%的電量。同時(shí)，當(dāng)主板充電IC開始升溫、充電效率受到影響時(shí)，位于電池底端的小板IC就會(huì)承擔(dān)更多的高效充電任務(wù)，從而讓iQOO手機(jī)在亮屏充電時(shí)做到“充電快，發(fā)熱慢”的效果。

小米9的27W快充

小米9（3300mAh）主打的27W極速快充方案又稱“ChargeTurbo”（圖9），號(hào)稱快充30分鐘可充進(jìn)70%的電量，其高速供電的背后同樣是電荷泵技術(shù)在助力。根據(jù)小米官方的科普資料來看，小米9的27W快充得益于兼容QC4+的充電器、以電荷泵為主的充電IC，以及支持1.5C充電倍率的電池，最大允許的充電電流是4.8A。作為對(duì)比，上代小米8的1C電池最大僅支持3.3A的充電電流。

和上述產(chǎn)品相比，小米9的有線快充功率并不算太高，但它卻擁有另一項(xiàng)本領(lǐng)，那就是支持20W功率的無線閃充技術(shù)，30分鐘可充電40%，90分鐘充滿全部電力，基本達(dá)到了小米8的18W有線充電的效率（圖10）。

沒錯(cuò)，小米9的20W無線閃充技術(shù)的核心還是和27W有線快充相同的半壓直充方案，即電荷泵技術(shù)。這款產(chǎn)品的無線充電底座在搭配原裝27W充電器時(shí)可以輸出20W的充電功率，并讓手機(jī)端以15V/1.34A來接收功率輸入。

在小米9進(jìn)行無線充電的過程中，首先會(huì)經(jīng)歷傳統(tǒng)的DC-DC降壓流程，以20mV精細(xì)調(diào)壓來保證下一級(jí)電荷泵充電的穩(wěn)定性。接下來，才會(huì)通過電荷泵技術(shù)進(jìn)行2：1變壓操作將電量充進(jìn)電池內(nèi)，中間的轉(zhuǎn)換效率超過了97%。

OPPO的50W快充

2018年，OPPO針對(duì)Find X和R17 Pro定制了SuperVOOC超級(jí)閃充技術(shù)（圖11），50W（10V/5A）充電功率是OPPO早前VOOC閃充的2倍以上，只要35分鐘就能完全充滿手機(jī)。SuperVOOC的背后原理，主要體現(xiàn)在使用了2塊1850mAh（R17 Pro）/1700mAh（Find X）電芯串聯(lián)的設(shè)計(jì)（圖12），在保障安全性的同時(shí)分壓穩(wěn)流，讓每塊電池芯承載的電壓、電流不超過5V/5A，實(shí)現(xiàn)了大功率下充電效率成倍提升的目的。

同時(shí)，OPPO專門設(shè)計(jì)了獨(dú)立的降壓芯片，通過對(duì)“電荷泵技術(shù)”的反向運(yùn)用，讓雙芯電池在工作時(shí)，能夠精確控制電壓電流，保障穩(wěn)定輸出，并用專門定制的VCU智能控制芯片來全線路控壓控流控溫，提供全方位的安全保障。需要注意的是，無論是VOOC還是SuperVOOC，都需要使用OPPO原裝的USB Type-C數(shù)據(jù)線，這一點(diǎn)沒得商量。

看到這里，相信不少朋友還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)疑問，那就是華為/iQOO/小米9陣營，以及OPPO雙電芯串聯(lián)陣營，哪種方案更完美？

華為/iQOO/小米9的技術(shù)原理，是直接輸入較高的電壓，通過電荷泵降（電）壓增（電）流，這個(gè)方案的特色是充電器只負(fù)責(zé)輸出，由手機(jī)端控制充電器輸出的電壓和電流（充電功率），管理IC無需太過復(fù)雜，電池能量密度更高，成本相對(duì)較低。

SuperVOOC的技術(shù)原理是提高輸入電壓，由兩個(gè)串聯(lián)的電池各自分壓，放電時(shí)通過電荷泵降壓。在整個(gè)充電過程中的電流控制完全交給了充電器，手機(jī)端負(fù)責(zé)回傳電池電壓信息。其優(yōu)點(diǎn)是充電功率未來還能再提升一個(gè)量級(jí)，可以在短時(shí)間充進(jìn)更多的電力。但它的缺點(diǎn)也很明顯，雙電池和雙管理IC會(huì)拔高成本，難以在有限的空間里進(jìn)一步提升電池密度（容量偏低）。

總之，隨著“電荷泵技術(shù)”在智能手機(jī)領(lǐng)域的普及，未來會(huì)惠及更多主流價(jià)位的手機(jī)，希望2019年18W快充可以成為過去時(shí)，讓更多新品可以邁過30W快充的門檻吧（圖13）。