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续航不再是问题快充技术及芯片解析

2016-6-30 19:45 国际线缆技术查看: 154078 评论: 0

悉数市面上的产品，快充技术大致有四种，即高通的QuickCharge版(如QC2.0、QC3.0)，联发科版(Pump Express和Pump Express plus)、OPPO 的VOOC技术以及兼容QC2.0协议和海思快充协议华为快充技术。也有人说快充技术是5种、6种、甚至7种，但在目前也就上面这四种，是在原有USB 5V充电技术上有所突破的技术。

常规USB 5V充电技术的瓶颈，充电环路示意图如图-1，充电环路阻抗约0.32Ω，那对于4.2V和4.35V电池最大充电电流有以下公式：(5-4.2)/0.32=2.5A (5V input source， Battery CV=4.2V)(5-4.35)/0.32=2.03A. (5V input source，Battery CV=4.35V)

因此，手机的常规充电方式，无法再提高充电电流，不能满足现在手机电池越来越大后，对大充电电流的要求。

一、高通QC版快充技术这是一个市面上采用较多的快充技术，小米4C，小米note，三星等主流品牌均在采用此充电技术。这与目前高端智能手机所采用的平台有相当关系。另外，这种技术相对简单，实现起来相对容易，成本提升不明显，市场较容易接受。高通QC充电技术有两个版本，分别是QC2.0和QC3.0，现在QC3.0的手机还很少，普遍还是QC2.0。

快充技术的原理，通过USB端口的D+与D-的不同电压给合，来向充电器申请相应的输出电压供手机充电。QC2.0并不是简单的D+与D-的组合就可以让充电器输出所需的电压，而是还有一些协议在里面，需要先发送握手信号，比如1.5s的握手电压组合，才能进行下一步的输出，否则，直接按图-4将D+与D-电平设置好是不会改变充电器的输出电压的，这也是为了更好的保护非QC2.0技术的手机，不会因为误触发了充电器的升压机制而烧毁手机，图3是QC2.0充电器原理图的调压部分。

高通QC2.0 握手协议：

快充的充电器与手机通过micro USB接口中间两线(D+D-)上加载电压来进行通讯，调节QC2.0的输出电压。握手过程如下：当将充电器端通过数据线连到手机上时，充电器默认通过 MOS让D+D-短接，手机端探测到充电器类型为DCP(专用充电端口模式)。此时输出电压为5v，手机正常充电。若手机支持QC2.0快速充电协议，则Android用户空间的HVDCP进程将会启动，开始在D+上加载0.325V的电压。当这个电压维持1.5s 后，充电器将断开D+和D-的短接， D-上的电压将会下降;手机端检测到D-上的电压下降后，HVDCP获取手机预设的充电器电压值，比如 9V，则设置D+上的电压为3.3V，D-上的电压为0.6V，充电器输出9v电压。

快充技术的优点是，很好地解决常规手机充电电流的限制，由于充电器输出电压的提高，手机充电环路的阻抗限制的充电电流的问题得到了很好地解决，缺点是，效率仍不是很高，在手机端发热量还比较大。

随着高通QC3.0的发布，很好的弥补了QC2.0效率偏低的问题。

充电速度是传统充电方式的四倍，是Quick Charge 1.0的两倍，比Quick Charge 2.0充电效率高38%。Quick Charge 3.0采用最佳电压智能协商(INOV)算法，可以根据掌上终端确定需要的功率，在任意时刻实现最佳功率传输，同时实现效率最大化。另外，其电压选项范围更宽，移动终端可动态调整到其支持的最佳电压水平。具体来说，Quick Charge 3.0支持更细化的电压选择：以200mV增量为一档，提供从3.6V到20V电压的灵活选择。这样，你的手机可以从数十种功率水平中选择最适合的一档。

二、联发科Pump Express快充技术与高通QC2.0虽在实现方式上有所不同，却有异曲同工之妙。高通QC2.0是通过USB端口的D+和D-来个信号实现调压，而联发科的Pump Express快充技术，是通过USB端口的VBUS来向充电器通讯并申请相应的输出电压的。QC2.0是通过配置D+和D-电压的方式来通讯，Pump Express是通过VBUS上的电流脉冲来通讯，但最终的目的是提升充电器的电压到5V，7V，9V。

快充技术的VBUS电流与VBUS电压波形如图-5：

快充技术充电器原理图，及原理简介

快充技术的优点，与QC2.0相似，由于提高了充电器的输出电压，解决了充电电流的限制。同时缺点也与QC2.0类似，由于充电器的调压档跨度比较大，带来手机端充电路效率偏低。于是，MTK Pump Express Plus快充技术随之诞生，Pump Express Plus技术与高通QC3.0类似，增加了调压档数，每档200mV。手机可以根据电池当前电压以及充电环路衰减，向充电器申请合适的电压，以达到以电效率的最大化，以进一步降低手机在充电过程中的发热量。

三、OPPO VOOC闪充技术

称自己研发的快充技术为“ VOOC闪充技术“，也是最神秘的快充技术，目前只有OPPO的几款产品在用，即Find 7和N3等，由于OPPO对此技术有专利限制，其它手机厂商只能叹为观止，且成本相对较高，充电器体积较大，便携方面没有其它快充技术的好。

OPPO的VOOC闪充技术与传统充电最大的区别在于，创新性的将充电控制电路移植到了适配器端，也就是将最大的发热源移植到了适配器。这样控制电路在适配器，而被充电的电池在手机端，充电时手机发热得以很好的解决。为了更好的对充电流程进行控制 (比如控制电路需要实时监测电池电压、温度等)，OPPO特别在适配器端加入了智能控制芯片MCU，适配器端实现了充电控制电路，智能控制充电的整个流程。

四、兼容QC2.0协议和海思快充协议华为快充技术

最近，荣耀发布了10000mAh快充移动电源。这款电源可以在3.5小时内完成100%的充电量，半小时内即可给荣耀7充电50%。大体配置如下：高密度聚合物电芯、支持18W(MAX)双向快充、兼容海思FCP及其他主流快充协议、支持Type-C或USB输出。相关评测证明，该款电源可以为华为P9充电2.3次、为荣耀V8充电1.9次，为三星S7充电2.3次，可为iPhone6S充电4次。从双向充电性能及相关数据来看，这款产品应该算是国内移动电源市场的旗舰级产品了。

华为实验室数据现实，华为快充移动电源充满时间为3.5小时，比普通的5V2A快充电源节约2.5小时。之所以能够达到整个数据，是因为该电源支持 9V2A高达18W的快充功率，同时支持Type C输入，使得其充电速度比普通快充电源提供将近1倍。这就有效化解工作生活中频频遇到的充电速度过慢、充电速度赶不上手机用电速度、长时间充电电流不够用等尴尬问题。

总体而言，荣耀这款快充移动电源在实现9V2A双向快充的同时，更支持海思、高通QC2.0、MTK多种快充协议。在独家支持荣耀7、荣耀V8、华为 Mate8、P9等支持海思快充协议的华为/荣耀手机挚爱，还兼容高通QC2.0、MTK等快充协议，几乎可以满足市面上所有主流快充手机要求。

快充芯片

现市面上使用的电池管理芯片，主要是TI(德州仪器)和Fairchild(仙童半导体)的产品。另外还有 Dialog 半导体公司 Qualcomm Quick Charge 3.0(QC3.0)芯片组、PI高通QC3.0识别协议芯片CHY103D，汉能也推出一款适用于智能手机的快充芯片HE41201。

一、TI(德州仪器)BQ25895TI比较有代表性的方案有BQ25895，它的maxcharge技术是将高通QC2.0和联发科的Pump Express，以及TI自身的高性能充电管理做了一次整合，其最大充电电流可达5A，最大输入电压14V，可以很好地支持QC2.0和Pump Express标准的充电器。我们对TI提供的BQ25890 demo板实测，在4A充电时，芯片温度达55度左右(在环境温度25度下测试)，差不多有30度的温升，这如果放在手机内部，将会是一个重要的热源。

TI的maxcharge充电芯片的简易原理图，

TI的maxcharge充电技术的优点，由于同时兼容高通QC2.0和联发科Pump Express技术，因此也就同时具备了QC2.0和联发科Pump Express的优化点。它缺点也和高通与联发科一样，整体的效率还不是很高，因此发热量较大。

鉴于手机充电部分的发热问题，短时间QC3.0和Pump Express plus还未普及，那么我们是否还有其它方案来减小手机充电发热量呢?答案是肯定的。我们用两颗充电芯片同时对一颗电池进行充电，可以减少单独充电芯片的发热量。图-12是双充电芯片原理图，图-13是BQ25890+BQ25896双Demo实测，设置两颗充电芯片的充电电流都为2A，总共4A对电池充电，充电30分钟后，测到两个芯片的温度分别为42度和40度，室温为25度，芯片温升分别为17度和15度，比单芯片充电方案的温升降低了一半。因此，双充电芯片方案对提高充电效率，减少手机充电发热方面具有很大的优势。

二、Fairchild FAN501A与FAN6100Q

伴随业界充电通讯协议QC2.0问世， Fairchild 也提供了最新的FAN501A与FAN6100Q，快充配套方案，符合Qualcomm制定的QC2.0充电标准，以搭配高阶手机运用。该方案适用平板计算机与智能手机，符合QC2.0快充标准，提升40%充电速度，具有高效率，平均效率》85%。而且具有高功率密度，变压器小型化。

其线路图及方案方块图如下：

三、Dialog 半导体公司 QC3.0 芯片组Dialog半导体公司近期宣布，其Qualcomm Quick Charge 3.0(QC3.0)芯片组现已开始量产。该芯片组的独特之处在于提供恒定的功率分布图(power profile)，以便于配置。该芯片组与QC2.0芯片组引脚兼容，有助于简化升级，并将继续扩大Dialog在快速充电市场上的领先地位，目前Dialog在该市场占据的份额据估计为70%。

图-16该芯片组结合了iW1782一次侧AC/DC控制器与iW636二次侧控制器，为3A USB-C充电提供恒定的功率分布图，这优化了变压器设计，并将充电时间降到最低。用于AC/DC移动电源适配器的Dialog iW1782 PrimAccurate™一次侧数字脉冲宽度调制(PWM)控制器，通过数字通信链路耦合至二次侧iW636 Rapid Charge™接口芯片。它通过光耦接受来自iW636的所有命令，而且芯片组具有快速、动态的负载响应。根据移动设备需要的电压，适配器可配置为从3.6V至12V(200mV增量)的多级输出，且该解决方案可与QC2.0和USB BC1.2充电要求反向兼容。

新芯片组提供双层线缆保护，无需额外元件。在一次侧，iW1782采用Dialog的SmartDefender™先进打嗝技术，可防止由于脏污或受损充电端口、磨损的USB线和连接器造成短路而导致移动设备受到热损害。这是通过将输出给短路电路的平均功率减少多达75%(无闭锁)而实现的。在二次侧，Dialog的D+/D-过压保护可应对总线电压软短路。这些保护功能带来更安全、更可靠快速充电，并可避免过热。空载功耗在5V/2A输出条件下小于10mW。

iW673是用于反激式转换器的同步整流器控制器，可模拟转换器二次侧上的二极管整流器，以降低导通损耗。iW673采用小尺寸6引脚SOT23封装，有助于实现更小的印刷电路板(PCB)适配器设计。Dialog的专有数字式自适应关断控制器技术还可将死区时间降到最低，并消除了传统同步整流器需要的并联肖特基二极管。该控制器的空载电流消耗仅4mW。

四、Power Integrations CHY103DPower Integrations宣布推出的ChiPhy充电器接口IC产品系列的最新器件CHY103D，是首款兼容Qualcomm Inc.旗下子公司Qualcomm Technologies，Inc.所开发的QuickCharge(QC)3.0协议的离线式AC-DC充电器IC。

与Power Integrations的InnoSwitch AC-DC开关IC一起使用，CHY103D器件可提供支持QC3.0所需的所有功能。QC3.0协议与CHY103D器件的完美结合可极大降低智能移动设备在快速充电过程中所产生的损耗。这一特点允许系统设计师选择提高手机的充电速度或是降低手机在充电过程中的触摸温度，并且提高充电过程的效率。

该IC能够使电压以200mV的增量发生变化，而不是当前许多快速充电设计中所采用的更大阶跃(例如，从5V到9或12V)，因此可提高充电效率并降低热耗散。此项技术能够让移动设备优化离线式充电器的供电电压，从而最大程度地降低手机内部充电管理系统中的功耗。