鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:5581次 | 2018年10月21日
關(guān)于USB快充你不得不知的幾點(diǎn)問題
隨著智能手機(jī)的興起,功能逐步強(qiáng)大,配備的電池容量也逐步增大。原來USB的充電能力不能滿足現(xiàn)有的充電功率和充電時(shí)間的需求。
現(xiàn)在的智能手機(jī)以及其他USB設(shè)備,基本上都配備了快速充電技術(shù)。一般來說,對于USB充電功率超過10W(也就是5V2A)才能稱之為快速充電。
一開始手機(jī)電池都不大,這個(gè)時(shí)候USB接口默認(rèn)的5V0.5A就可以滿足充電的需要;但是當(dāng)智能機(jī)出現(xiàn)之后,由于對性能的大幅度渴求導(dǎo)致功耗上升,0.5A已經(jīng)滿足不了需要了;于是定義了一個(gè)增強(qiáng)的USB充電識(shí)別標(biāo)準(zhǔn):BC1.2。它將充電電流最大擴(kuò)展到5V1.5A。
但是到了2013年左右,出現(xiàn)了3000毫安時(shí)以上的智能手機(jī),這個(gè)時(shí)候就算是5V1.5A也不能滿足需求了,于是再次擴(kuò)展到5V2A。
誰決定電流大小?
手機(jī)充電電流是手機(jī)來控制的,而不是充電器。也就是說手機(jī)就是大壩,充電器只是水庫,手機(jī)會(huì)智能檢測充電器的負(fù)載能力,充電器功率大質(zhì)量好,手機(jī)就會(huì)允許充電器加載更高的電流;充電器設(shè)計(jì)輸出電流過小,那么手機(jī)也會(huì)限制給自己充電的電流。
這就是為什么我們要選購大功率充電器的原因,例如一臺(tái)手機(jī)最大支持5V1.5A的輸入,你買個(gè)5V1A的充電器,就會(huì)導(dǎo)致手機(jī)只能以5V1A來充電,不僅充電速度慢,而且因?yàn)槌潆娖饕恢比?fù)荷工作發(fā)熱嚴(yán)重;反之你買個(gè)5V2A的充電頭,手機(jī)會(huì)控制只輸入1.5A的電流,充電器負(fù)載較低,有充足的余量。
iPhone6/Plus分別最高支持5V1.5A/2A的充電,但是蘋果標(biāo)配充電器只有5V1A。對于1800多毫安電池的iPhone6來說其實(shí)無關(guān)緊要,但是對于接近3000毫安時(shí)電池的iPhone6Plus來說簡直要了親命!
實(shí)際測試中,iPhone6Plus使用iPad充電器的峰值充電電流能到5V1.9A,原因只有一個(gè)那就是節(jié)省成本。
其實(shí)5V2A就是高通所謂的QuickCharge1.0技術(shù)。當(dāng)然實(shí)際上為了防止充電器滿負(fù)荷,一般手機(jī)都是限制到了5V1.8A左右的。安卓手機(jī)5V2A的充電技術(shù)沒有什么限制也沒有識(shí)別協(xié)議。
蘋果不僅Lighting數(shù)據(jù)線有認(rèn)證,充電器也是有認(rèn)證的,蘋果設(shè)備檢測到非原裝充電器會(huì)限制電流到5V1A甚至0.5A。這也是為什么盜版的蘋果線充電慢的一個(gè)原因。
我們都知道,要想提高充電速度,關(guān)鍵在于提高充電的功率。功率(W)=電流X電壓,充電器先把市電220V降壓到5V輸出到手機(jī)MicroUSB接口,然后手機(jī)內(nèi)部電路再降壓到4.3V左右給電池充電。這里面一共有兩個(gè)降壓的過程。
之前充電器輸出電壓都是5V,大家想著怎么提高電流;但是當(dāng)達(dá)到5V2A之后,瓶頸就來了:電流再增加勢必造成大批MicroUSB接口和數(shù)據(jù)線無法承受。
目前通用的MicroUSB接口和我們的USB數(shù)據(jù)線,一般來說只能在2A的電流下保證安全高效的傳輸,電流超過2A硬件就受不了。
原來Type-A接口就是我們平常用的最多的標(biāo)準(zhǔn)USB接口!也的確,Type-A接口的英文名稱就是“StandardType-AUSB”,這說明它是標(biāo)準(zhǔn)的USB接口,而其它形狀的USB接口都是它的衍生物。
對于Type-BUSB接口,盡管它的出鏡率遠(yuǎn)沒有標(biāo)準(zhǔn)Type-A接口高,但想必大家對它也不會(huì)陌生,因?yàn)橹T如打印機(jī)、顯示器USBHUB等諸多外部USB設(shè)備都采用了Type-BUSB接口。一般來說,PC上的USB接口均為標(biāo)準(zhǔn)Type-A,而外部設(shè)備則多采用Type-B。
最后,就是全新出場的Type-C接口了。它擁有比Type-A及Type-B均小得多的體積,其大小甚至能與Mini-USB及Micro-USB相媲美,是最新的USB接口外形標(biāo)準(zhǔn)。另外,Type-C是一種既可以應(yīng)用在PC(主設(shè)備)又可以應(yīng)用在外部設(shè)備(從設(shè)備)的接口類型
什么也比不上一張圖直觀。我們經(jīng)常使用的Mini-USB及Micro-USB都是根據(jù)USB2.0傳輸協(xié)議誕生,神奇的是,它們也都分別分為Type-A和Type-B。到了USB3.0時(shí)代,由于傳輸速度的提升帶來了針腳位的提升,因此僅有Type-AUSB3.0接口保持與以往形狀一樣,Type-B和Micro-USB都改變了外形(體積增大)。
由于USB3.0接口的傳輸速度相較USB2.0有了大幅度的提高,因此它的針腳也發(fā)生了變化。這樣一來,Micro-USB3.0接口不得不在外觀上做出改變。Micro-USB3.0接口在高度上與Micro-USB2.0無異,但是長度明顯增長了。同樣的,A型和B型也在Micro-USB3.0上出現(xiàn)了……筆者真的無法理解為什么USB協(xié)會(huì)每次都要在小型的USB接口上搞個(gè)A和B,這里就不多吐槽了。
我們接觸最多的Micro-USB3.0接口設(shè)備就要數(shù)高速移動(dòng)硬盤了,其中絕大多數(shù)均為Type-B類型。
同樣是Type-B接口,USB3.0(右)比USB2.0(左)增加了接口高度
標(biāo)準(zhǔn)Type-AUSB接口由于體積較大,因此在發(fā)展到USB3.1的今天,它的外形也沒有改變。但是Type-BUSB接口就稍微有些尷尬了,因?yàn)檎擉w積它并不比標(biāo)準(zhǔn)Type-AUSB接口小多少,但是或許是設(shè)計(jì)之初并未考慮到今后的發(fā)展,導(dǎo)致了增加的針腳無處放置。因此Type-BUSB3.0接口不得不改變了外觀,較Type-BUSB2.0增加了高度。很少有廠家選用這個(gè)接口形式。
在行業(yè)內(nèi),USB3.0接口被做成藍(lán)色以便和USB2.0接口的黑色相區(qū)分。目前,華碩已經(jīng)推出了配備標(biāo)準(zhǔn)Type-AUSB3.1接口的主板,其接口顏色為藍(lán)綠色,與USB3.0相區(qū)分。盡管USB協(xié)會(huì)并未對USB3.1的顏色做出規(guī)定,但是以顏色來區(qū)分也將是必然。
筆者再次重申,Type-C接口與USB3.1標(biāo)準(zhǔn)幾乎同時(shí)推出,Type-C的規(guī)范也確實(shí)是按照USB3.1所制定,因此USB3.1當(dāng)然可以制作為Type-C類型,但Type-C≠USB3.1:比如諾基亞N1平板就采用了USB2.0規(guī)范的Type-C接口,而華碩Z97-K/USB3.1就使用了標(biāo)準(zhǔn)Type-A的USB3.1接口。
除蘋果公司產(chǎn)品之外,先進(jìn)市面上幾乎所有的移動(dòng)設(shè)備都采用了Micro-USB接口。而蘋果自從iPhone5開始也將之前的Dock口換為了體積更加小巧的Lightning接口,它與Micro-USB接口的大小相近。而現(xiàn)在,Type-C接口橫空出世,未來一段時(shí)間內(nèi)很可能會(huì)出現(xiàn)三足鼎立之勢。
其中,Micro-USB接口擁有防呆設(shè)計(jì),只能單面插入。而Lightning接口及Type-C接口則均可以正反插,大大方便了用戶平日的使用。不過在這里還是要說句題外話,那就是自從蘋果采用Lightning接口后,算上購買手機(jī)附送的數(shù)據(jù)線,筆者已經(jīng)更換了6、7條Lightning數(shù)據(jù)線,它們會(huì)在很快的時(shí)間壞掉,這可是Dock口時(shí)代筆者從未經(jīng)歷的事!或許Lightning接口的耐用度設(shè)計(jì)還有待完善。
Type-C接口的尺寸為8.3mm×2.5mm,它的大小與Micro-USB及Lightning都較為相近,便攜度毋庸置疑。
USB3.1規(guī)格擁有10Gbps的傳輸速率,是USB3.05Gbps的兩倍之多,達(dá)到了雷電接口一樣的速度。擁有超高帶寬的同時(shí)它還支持高達(dá)100W的強(qiáng)悍電力傳輸功能,另外,Type-C接口還可作為視頻輸出接口。
目前HDMI1.4規(guī)范的帶寬為10.2Gbps,與USB3.1的10Gbps近乎于等速,加之新MacBook所采用的Type-C接口已經(jīng)集成了DP、HDMI與D-Sub接口。多種功能的高集成度以及強(qiáng)力的性能,在未來我們完全可以有理由相信Type-C會(huì)成為取代諸多視頻以及數(shù)據(jù)接口,成為統(tǒng)一眾多接口的完美解決方案。
另外,高冷的蘋果總會(huì)與別人不一樣,無論是之前的Dock口還是現(xiàn)在的Lightning口,都異于非蘋果設(shè)備的Micro-USB接口。但是新MacBook采用了Type-C接口可以說給了大家以期盼:在未來蘋果產(chǎn)品是否會(huì)統(tǒng)一采用Type-C呢?畢竟Type-C接口是通用標(biāo)準(zhǔn),這樣以后我們再也不用配備很多根數(shù)據(jù)線了。
Type-C是革命性的出現(xiàn),什么這么說?在前文當(dāng)筆者放出那張USB接口全家福的時(shí)候,大家是否都會(huì)感覺太亂了呢?沒錯(cuò),主設(shè)備接口、從設(shè)備接口以及移動(dòng)設(shè)備接口的形狀全都不一樣,而每類接口還又分為A/B等等……我們不禁發(fā)出一聲感嘆:為什么就不能統(tǒng)一呢?Type-C的出現(xiàn)則解決了這一問題,不同于只在主設(shè)備使用的Type-A、只在從設(shè)備使用的Type-B以及只在移動(dòng)設(shè)備使用的Mini&Micro-USB,它是一種既可以在主設(shè)備,又可以在從設(shè)備,還可以在移動(dòng)設(shè)備使用的接口。
USB接口規(guī)范的混亂并不是個(gè)例,有很多接口也存在著類似的問題。比如HDMI,我們常見的是標(biāo)準(zhǔn)HDMI(A)以及miniHDMI(B),但還有Micro(D)以及體積龐大的D型,似乎后兩者的出現(xiàn)也顯得沒有必要。視頻接口還有蘋果的專用接口、DP、DVI等,也是一盤散沙。
搭上高速的USB3.1速度規(guī)格,擁有小巧的外形,解決了困擾用戶多年的“世界性難題”(終于可以正反插),模糊了主設(shè)備和從設(shè)備的接口區(qū)別,打破了移動(dòng)設(shè)備的專屬接口規(guī)范,集成了視頻傳輸功能,繼承了USB接口一切優(yōu)良的血統(tǒng)…
TypeC與快充的關(guān)系:
TypeC接口的觸點(diǎn)數(shù)量數(shù)倍于MicroUSB接口,這就使得它能承受的電流強(qiáng)度大大增加;同時(shí)TypeC加入了互相識(shí)別的步驟,可以把自己定義成充電器或者受電設(shè)備。換句話說USBTypeC天然支持快充,同樣的電流下USBTypeC損失也會(huì)更小,而且可以支持雙向充電。
所以說使用了USBTypeC而不支持快充都是耍流氓,比如一加2,只能5V簡直。。。。。;目測快充的發(fā)熱和成本也搞不定,最終為了省錢直接把快充給砍了,為了TypeC而TypeC。
TypeC不代表快充,但是TypeC不支持快充很過分。
說完USB接口歷史,我們再回來看USB的充電:
我們可以簡單計(jì)算一下,小米4/NOTE,輸入限流9V1.2A,實(shí)際功率也和5V1.8A是一樣的了,但是電流直接小了1/3,也就是說數(shù)據(jù)線和接口的損耗大幅度降低了(這是為什么質(zhì)量好的充電線充電快的原因之一)。
而對于真正實(shí)現(xiàn)了快速充電的,比如三星S6/EDGE來說,低電量時(shí)的峰值充電速度可以達(dá)到9V1.5A左右,功率大約為14W,比5V1.8A提高了約50%。這才是名副其實(shí)的快充。華為Mate8MOTOXSTYLE/聯(lián)想P1/魅族PRO5,基本上都到了20W左右的充電功率。
將六款手機(jī)的數(shù)據(jù)綜合到同一個(gè)折線圖進(jìn)行對比,可見華為Mate8的充電耗時(shí)最長、平均充電速率最低排名,以136分鐘的總充電時(shí)長名列倒數(shù)第一,而微軟Lumia950XL比華為Mate8好些,104分鐘的總充電時(shí)長排在六者的倒數(shù)第二。不過兩者為這兩款手機(jī)中電池容量最大的,華為Mate8電池容量為4000mAh、Lumia950XL為3340mAh。
手機(jī)充電時(shí)的電流并不是一直不變的,當(dāng)你的手機(jī)處于低電量的時(shí)候,手機(jī)會(huì)要求充電器全速工作補(bǔ)電,這就是所謂的峰值。在這個(gè)時(shí)候充電器和手機(jī)的降壓電路火力全開,充電速度非常快,但是損耗和發(fā)熱也很大。
一般沖到60%~80%的時(shí)候,根據(jù)各個(gè)廠家設(shè)定的不同,手機(jī)會(huì)給充電器發(fā)送信號(hào)降低電流,以達(dá)到保護(hù)電池、降低損耗、減少發(fā)熱等目的;在后面這個(gè)階段,充電的功率是大幅度降低的,也就是我們常說的涓流補(bǔ)電。
再說一次,充電電流控制在手機(jī)手里,跟充電器沒有一毛錢的關(guān)系,充電器只能被動(dòng)的適應(yīng)手機(jī)的需要,同樣的電壓下不存在所謂充電器功率過高沖壞手機(jī)的說法;
當(dāng)然如果你做死用只有9V電壓的充電器充限制電壓5V的手機(jī)肯定會(huì)出事,當(dāng)然廠家也不會(huì)那么傻。
不然高通怎么會(huì)大發(fā)善心推動(dòng)大家一起進(jìn)步呢?QuickCharge2.0是有所謂的識(shí)別受電測能夠接受電壓值的過程,識(shí)別不出來就滾回5V慢慢充電吧。
而且高通對硬件的控制非常強(qiáng),支持QuickCharge2.0的產(chǎn)品需要通過認(rèn)證;高通授權(quán)給了UL實(shí)驗(yàn)室來做(MTK快充認(rèn)證也是),QC2.0認(rèn)證費(fèi)1500美金,約合1萬人民幣每款,認(rèn)證周期2-6周。同時(shí)還會(huì)威逼利誘廠家使用高通的SMB芯片來做快充方案。
于是大家得到了啟發(fā),紛紛開始做自己的私有識(shí)別協(xié)議。比如MTK的那個(gè)PUMPEXPRESSPLUS啊,華為在榮耀7上自己搞的識(shí)別協(xié)議啊。但是這些基本原理是一樣的,那就是從5V開始充電,然后充電器和手機(jī)互相識(shí)別,在電流最高2A的情況下提高充電器到手機(jī)USB端口的電壓。
還有一大堆快充協(xié)議的馬甲出現(xiàn),比如三星FastCharge,華碩手機(jī)的快速充電,其實(shí)都是QuickCharge2.0的馬甲;而魅族的mCharge則是MTKPUMPEXPRESSPLUS的馬甲。
所以越是低門檻的技術(shù),越容易被抄襲和繞過。
不過據(jù)說三星從NOTE4開始也是有自己的識(shí)別協(xié)議的,先檢測自己的再檢測QuickCharge2.0,所以對三星手機(jī)來說不挑充電器,只要支持QuickCharge2.0就行。
但是華為和使用了MTKPE的魅族就不行了,必須搭配自家的專用充電器;比較搞笑的是他們家的充電器反而支持QuickCharge2.0,可以給三星或者小米的手機(jī)實(shí)現(xiàn)9V快充。這是因?yàn)槌潆娖鞯腝C認(rèn)證高通管的不是很嚴(yán),想做就做了,只要你不宣傳、不打QuickCharge2.0的LOGO就沒事。
不過這些快充技術(shù)的具體原理都差不多:充電器與手機(jī)進(jìn)行通訊,一開始會(huì)使用5v電壓正常充電;若手機(jī)支持快速充電協(xié)議,則手機(jī)會(huì)與充電器進(jìn)行短暫的通信;充電器收到正確的信號(hào)之后,開始輸出9v電壓。
其中的不同在于QuickCharge2.0以及華為的私有協(xié)議是通過microUSB接口中間兩線(D+D-)上加載電壓來識(shí)別,識(shí)別正確才會(huì)上9V;而且魅族等實(shí)用的MTKPEP技術(shù)則是通過電流波動(dòng)進(jìn)行識(shí)別。
相對來說MTK的技術(shù)對線材的要求會(huì)降低,因?yàn)镼C2.0的識(shí)別方式要求數(shù)據(jù)線必須能夠傳輸數(shù)據(jù),如果線材缺失傳輸數(shù)據(jù)用的D+D-就只能5V了;但是MTKPEP技術(shù)則毫無壓力,因?yàn)槭请娏鞑▌?dòng)來識(shí)別的,只要你這根線能通電我就能識(shí)別出來。
而至于后來出現(xiàn)的QuickCharge3.0,則是在QuickCharge2.0的基礎(chǔ)上增強(qiáng)了靈活性,以200mV增量為一檔,提供從3.6V到20V電壓的靈活選擇。
QC3.0其實(shí)總功率和實(shí)現(xiàn)方式跟QC2.0沒啥區(qū)別,只不過QC2.0大家一般都是9V,直到最近聯(lián)想P1才到了12V2A左右;而3.0直接把手機(jī)的最高標(biāo)準(zhǔn)都弄到了12V(注意12V是手機(jī),20V是給平板、筆記本準(zhǔn)備的)
QC1.0:電壓電流提升到5V2A,充電時(shí)間縮短40%
時(shí)代繼續(xù)前進(jìn),大屏智能手機(jī)開始爆發(fā),電池續(xù)航能力跟不上,快充成了廠商提升用戶體驗(yàn)的法寶之一,于是QC2.0誕生了。
QC2.0:相比起舊有標(biāo)準(zhǔn),QC2.0劃時(shí)代的改變了充電電壓,從保持了多年的常規(guī)的5V提升至9V/12V/20V,與QC1.0保持相同2A電流下實(shí)現(xiàn)了18W大功率電力傳輸,并且線材不需要特殊處理舊有線材都能夠通用。
增大電壓,功率是上去了,效率卻下降了。電壓每提高一檔,效率約下降10%,這些能量大部分轉(zhuǎn)化為熱量,所以20V電壓檔幾乎就沒人用了,只保留了5V、9V、12V三個(gè)檔。即便如此還是熱的不行,高通也覺得5V到9V步子邁的太大,有點(diǎn)扯到蛋,于是可以以0.2V為單位不斷調(diào)節(jié)直到找到最合適的電壓,多大的電壓最合適?高通有自己獨(dú)特的電壓智能協(xié)商(INOV)算法,這就是QC3.0。
QC3.0:在QC2.09V/12V兩檔電壓基礎(chǔ)上,進(jìn)一步細(xì)分電壓檔,采用獨(dú)特的INOV算法,以200mV為一檔設(shè)定電壓,最低可下探至3.6V最高電壓20V,并且向下兼容QC2.0。由于全面使用了Type-c接口取代原來的MicroUSB接口,最大電流也提升到了3A,因?yàn)殡妷焊退孕侍嵘罡哌_(dá)38%,充電速度提升27%,發(fā)熱降低45%。
QC3.0好是好,可是谷歌不同意啊,你高通單獨(dú)搞一套怎么行,用我的系統(tǒng)就必須給我用USBPD協(xié)議,胳膊扭不過大腿,高通服軟,又推出QC4.0。
QC4.0:再次提升功率至28W,并且加入U(xiǎn)SBPD支持。取消了12V電壓檔,5V最大可輸出5.6A,9V最大可輸出3A,并且電壓檔繼續(xù)細(xì)分以20mV為一檔。
看到這里大家就知道了,現(xiàn)在快充門檻不在技術(shù)上,而在于各大廠商跑馬圈地搞的這些亂七八糟互相不通用的狗屁識(shí)別協(xié)議上,這就是科學(xué)技術(shù)發(fā)展過程中遇到資本主義的無奈。
當(dāng)然并不是沒有大一統(tǒng)的識(shí)別協(xié)議,USB推廣小組早在2012年7月份就制定了USBPD充電協(xié)議,全稱“USBPowerDeliverySpecification”。
USBPD根據(jù)可供給的電力設(shè)定了10W、18W、36W、60W、100W五級(jí)規(guī)格。PD技術(shù)不僅充電功率強(qiáng)悍,更牛的是可以實(shí)現(xiàn)雙向充電,也就是說兩臺(tái)電腦用USB線連接可以互相充電,比起QC這種單向充電的不知道高到哪里去了!
USBPowerDelivery快速充電規(guī)范(通過VBUS直流電平上耦合FSK信號(hào)來請求充電器調(diào)整輸出電壓和電流的過程),不同于高通QuickCharger2.0規(guī)范,因?yàn)楦咄≦C2.0是利用D+和D-上的不同的直流電壓來請求充電器動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電壓和電流實(shí)現(xiàn)快速充電的過程。
USBPD的通信是將協(xié)議層的消息調(diào)制成24MHZ的FSK信號(hào)并耦合到VBUS上或者從VBUS上獲得FSK信號(hào)來實(shí)現(xiàn)手機(jī)和充電器通信的過程。
如圖所示,在USBPD通信中,是將24MHz的FSK通過cAC-Coupling耦合電容耦合到VBUS上的直流電平上的,而為了使24MHz的FSK不對PowerSupply或者USBHost的VBUS直流電壓產(chǎn)生影響,在回路中同時(shí)添加了zIsolation電感組成的低通濾波器過濾掉FSK信號(hào)。
看到這里,你恍然大悟,這不是剽竊了PoE、電力載波的思想么?人類的智慧真的是有限的。
USBPD的原理,以手機(jī)和充電器都支持USBPD為例講解如下:
1)USBOTG的PHY監(jiān)控VBUS電壓,如果有VBUS的5V電壓存在并且檢測到OTGID腳是1K下拉電阻(不是OTGHost模式,OTGHost模式的ID電阻是小于1K的),就說明該電纜是支持USBPD的;
2)USBOTG做正常BCSV1.2規(guī)范的充電器探測并且啟動(dòng)USBPD設(shè)備策略管理器,策略管理器監(jiān)控VBUS的直流電平上是否耦合了FSK信號(hào),并且解碼消息得出是CapabilitiesSource消息,就根據(jù)USBPD規(guī)范解析該消息得出USBPD充電器所支持的所有電壓和電流列表對;
3)手機(jī)根據(jù)用戶的配置從CapabilitiesSource消息中選擇一個(gè)電壓和電流對,并將電壓和電流對加在Request消息的payload上,然后策略管理器將FSK信號(hào)耦合到VBUS直流電平上;
4)充電器解碼FSK信號(hào)并發(fā)出Accept消息給手機(jī),同時(shí)調(diào)整PowerSupply的直流電壓和電流輸出;
5)手機(jī)收到Accept消息,調(diào)整ChargerIC的充電電壓和電流;
6)手機(jī)在充電過程中可以動(dòng)態(tài)發(fā)送Request消息來請求充電器改變輸出電壓和電流,從而實(shí)現(xiàn)快速充電的過程。
與QC的區(qū)別:首先從名字上就看一窺端倪,PD是PowerDelivery,關(guān)注的是兩個(gè)或者多個(gè)設(shè)備,甚至是一個(gè)基于USB接口的智能電網(wǎng)的電能傳輸過程,電能傳輸可以是雙方向的,甚至是組網(wǎng)的,可以具備系統(tǒng)級(jí)供電策略。而QC是QuickCharge僅僅關(guān)注的是快速充電問題,電能傳輸是單方向的,不具備電能組網(wǎng)能力,不支持除了供電以外的其他功能。
綜上分析我們可以看出,USBPD不僅為消費(fèi)類電子帶來了形式多樣接口應(yīng)用,還承載著未來消費(fèi)類電子以及部分家用電器的供電管理智能化的使命,將能夠比較好的解決目前供電方式混亂,各種適配器及連接線嚴(yán)重浪費(fèi)社會(huì)資源,污染自然環(huán)境的情況。
快充的另一條技術(shù)路線:OPPO的VOOC閃充。前面提到高電壓充電技術(shù)是因?yàn)殡娏鞒^2A硬件就受不了;于是OPPO想了個(gè)簡單粗暴的辦法:從頭到尾改造硬件!
VOOC閃充我們可以簡單的看作充電器直連電池,使用特制加強(qiáng)的充電器、數(shù)據(jù)線、電池,去除MicroUSB端口帶來的限制;同時(shí)電池進(jìn)行多模塊分組同時(shí)充電(不確定是不是并聯(lián))。這樣一來,不用擔(dān)心硬件吃不消;在大家充電功率還在10W左右徘徊的時(shí)候,OPPO一口氣直接拉到快要25W…….FIND7創(chuàng)造的充電記錄,到現(xiàn)在都罕有匹敵。
同時(shí)因?yàn)檎w設(shè)計(jì)拋去了大量增降壓路線,線路損耗比QC等高電壓方案小得多(可以看作大部分發(fā)熱組件都扔到充電器里面去了);功率大大增強(qiáng)的同時(shí)發(fā)熱卻能做到優(yōu)秀的控制,不得不說是一種極為成功的快充設(shè)計(jì)。
VOOC閃充有很多的閃光點(diǎn),其技術(shù)指導(dǎo)思想就是用高成本換高功率和低發(fā)熱;這和其他快充技術(shù)盡可能立足現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn),小投入大產(chǎn)出的思路確實(shí)不同。結(jié)果就是OPPOFIND7獨(dú)孤求敗了兩年多,盡情的碾壓后輩。
但是VOOC閃充并不是沒有缺點(diǎn),首先就是充電器的個(gè)頭,F(xiàn)IND7的閃充充電器個(gè)頭無以倫比,不管是攜帶還是插孔都不是很方便,不過OPPO后期有過改進(jìn),充電器體積大為縮小。
其次,因?yàn)槿坎捎肙PPO自己的設(shè)計(jì)方案,VOOC閃充只能在OPPO高端機(jī)型上使用,通用性幾乎為0;給其他手機(jī)只能最高5V2A,當(dāng)然出于商品競爭的角度可以理解。
最后,VOOC閃充成本太過高昂,特制的充電器、數(shù)據(jù)線、電池導(dǎo)致整機(jī)售價(jià)也收到了影響,而且據(jù)說電池也是犧牲了壽命獲取對高電流的耐受性。
這里我們來解釋一個(gè)關(guān)鍵的事情:
充電輸入功率增大了,是否電池的壽命就降低了?
鋰電池充電過程
電池有兩極:正極是鋰化合物,負(fù)極為石墨。
充電放電都是電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)換,在鋰離子在正負(fù)極運(yùn)動(dòng)過程中,也在變成不同的化合物。
我們可以把鋰離子看作是裝有電荷的小車:在充電時(shí),由于電場作用使小車全部開到負(fù)極儲(chǔ)存下一定的能量(鋰離子嵌入到負(fù)極的石墨碳層微孔);在放電時(shí),這些帶著電荷的鋰離子小車由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng),又跑到了正極(鋰離子的脫嵌,使正極處于富鋰狀態(tài))。在這個(gè)過程中形成電流供電。
想狀態(tài)下,只要正負(fù)極材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)基本不發(fā)生變化,電池充放電的可逆性很好,鋰離子電池就能保證長時(shí)間循環(huán)。
快速充電主要是保證鋰離子快速的從正極嵌出并快速的嵌入負(fù)極,不能造成鋰離子的沉積。
但是在電流增大時(shí),電極負(fù)極(石墨)表面的一層半透膜(SEI膜)會(huì)有一定程度的破裂,使電極材料和電解液相互反應(yīng),另外溫度升高也會(huì)讓電池內(nèi)部發(fā)生副反應(yīng)破壞電池上的化學(xué)物質(zhì),導(dǎo)致可逆性降低(就是鋰離子小車沒法來回開了)電池容量也就會(huì)不斷的減少。
就是是我們經(jīng)常感覺到的,明明是充滿電了,為什么電池越來越不經(jīng)得起用了。
以大疆無人機(jī)的鋰電池舉例,一塊4480mAh68Wh電壓為15.2V的鋰電池,充滿只需要1.5h(相比之下iPhone6splus電池容量為2750mAh,電壓為3.8V)但大疆無人機(jī)的鋰電池壽命只有200個(gè)循環(huán)。電池壽命的衰減顯而易見。
鋰電池的充電分為三個(gè)階段,分別是恒流預(yù)充電、大電流恒流充電與恒壓充電。
當(dāng)電壓低于3.0V時(shí),充電器會(huì)采用100mA電流對鋰電池進(jìn)行預(yù)充電,就是上圖CCPre-charge階段,中文名字叫恒流預(yù)沖電階段,目的是慢慢恢復(fù)過放電的鋰電池,是一種保護(hù)措施來的。合格的充電器都會(huì)有這個(gè)充電階段。
然后與問題有關(guān)的就來了。當(dāng)鋰電池電壓高于3.0V時(shí),就進(jìn)入到第二階段,大電流恒流充電階段(CCFastcharge)。由于鋰電池經(jīng)過第一階段的預(yù)充,其狀態(tài)已經(jīng)比較穩(wěn)定了(預(yù)充階段的作用可以這樣理解~但并不嚴(yán)謹(jǐn))。所以在第二階段,充電電流就可以適當(dāng)提高,根據(jù)不同的電池來說,這個(gè)電流的大小可以從0.1C到幾C不等,其中C是指電池容量,如2600mAh的鋰電池,0.1C就是指260mA大小的電流。
在這一個(gè)充電階段中,國家建議的標(biāo)準(zhǔn)充電是用0.1C電流進(jìn)行充電的,這個(gè)就是標(biāo)準(zhǔn)充電。不過標(biāo)準(zhǔn)充電這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)由于提出的時(shí)間很早,十幾年前的就提出來。那時(shí)候因?yàn)殇囯姵丶夹g(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如現(xiàn)在穩(wěn)定(不允許大電流充電),所以才會(huì)有這樣一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)~~~采用標(biāo)準(zhǔn)充電的唯一好處就是充電過程穩(wěn)定,發(fā)生爆炸之類的幾率非常小;缺點(diǎn)就是費(fèi)時(shí)間!
而快速充電,就是指在這個(gè)階段用大于0.1C的電流進(jìn)行充電。如果鋰電池容量為2600mAh,那么標(biāo)準(zhǔn)充電的電流為260mA,只要充電電流大于260mA,就可以定義為快速充電了。不過就從目前的鋰電池水平與充放電管理芯片的水平來說,用1C的電流充電都沒問題。所以快速充電也沒有想象中的那么危險(xiǎn)。一般快速充電的充電電流為0.2~0.8C,所以快速充電還是安全的。由于近幾年來的提升,現(xiàn)在的充電器基本上都是快充類型的。
而鋰電池充電的最后一個(gè)階段為恒壓充電階段,這個(gè)階段就是檢測到鋰電池電壓等于4.2V時(shí),充電器則進(jìn)入恒壓充電模式,這個(gè)階段充電電壓恒定為4.2V,充電電流則越來越小(慢慢充滿了,電流肯定變小~)。當(dāng)充電電流小于100mA時(shí),就判斷電池充滿,切斷充電電路。
這一階段的特性,也可以解釋為什么手機(jī)指示充滿電后,拔出USB線再插進(jìn)去,手機(jī)又顯示繼續(xù)充電。
另外,需要說一下的是:以上的充電是針對于單節(jié)鋰電池的最理想充電過程,目前的合格鋰電池充放電保護(hù)板都是這樣子工作的。
電瓶車的電瓶一般有鉛酸蓄電池和鋰電池兩種。這些電瓶都是由若干的電池成組而成的(鉛酸蓄電池類型的由6個(gè)或者8個(gè)串并聯(lián)組成;鋰電池類型的則由若干個(gè)鋰電池串并聯(lián)組成)。而涉及到電池組的充電方式,這里又有另外的一個(gè)大問題了,就是電池均衡問題。關(guān)于電池均衡問題,我在這里不再詳說,百度一下就可以了。我只能說目前的絕大多數(shù)電瓶車電池都沒有電池均衡管理,所以這個(gè)導(dǎo)致了電池組的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如單個(gè)電池的壽命,這也解釋了為什么電瓶車的電池不耐用,一年左右就報(bào)廢了~~~同時(shí)也解釋了當(dāng)前電動(dòng)汽車發(fā)展的困境就是電池成組技術(shù)的限制。
簡單來說結(jié)論就是:快速充電是指充電電流大于0.1C的充電方式,這種充電方式對于單個(gè)鋰電池來說,對壽命與穩(wěn)定性等的影響非常小;但是如果對于電瓶車電池組來說的話,快充就是用時(shí)間換取電池壽命的一種行為。
最后要說的是:使用標(biāo)配充電器對電瓶車充電沒問題;但是對于那些打著10分鐘充滿電的充電站來說,就要注意了,使用這些充電站絕對大大影響電池壽命。
另外,對于電池組來說,電池均衡意義更重要。快充對電池組的壽命有影響正是因?yàn)殡姵亟M均衡問題沒有解決。
在安全性上,因?yàn)榭斐涠加小拔帐謪f(xié)議”,會(huì)在充電前協(xié)調(diào)好輸出電壓電流的大小。鋰電池充電分為三個(gè)部分:恒流預(yù)充電(CCPre-charge)、大電流恒流充電(CCFastCharge)和恒壓充電(CV)。
手機(jī)電量耗光之后電壓降低,當(dāng)?shù)陀谝欢〝?shù)值時(shí)充電器會(huì)使用比較低的電流對鋰電池進(jìn)行預(yù)充電。經(jīng)過一段時(shí)間,鋰電池電壓高于預(yù)定數(shù)值后,就進(jìn)入第二個(gè)階段大電流恒流充電,此時(shí)適當(dāng)加大電流可以加快充電速度。
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