如何讓手機充電變得更快?手機快充原理大揭密!

LG曾做過一個調查報告,稱有90%以上的人會因為手機沒電感到焦慮,有41%的人會在手機低電量時錯過重要電話,而17%的男性則很容易因為手機沒電而失約——這種現像被稱為「低電量焦慮症」(low battery anxiety)。

(LG關於「低電量焦慮症」報告,圖片來源:Dailymail

 

隨著手機搭載越來越多的重要功能,手機斷電也成了一件大麻煩。在兼顧手機輕薄的同時,要減緩現代人的「低電量焦慮症」,那就只能盡量提高手機的充電速度了——「快速充電」(簡稱「快充」)技術應運而生。

包括2017 年的三款新iPhone 在內,主流智能手機或多或少都兼具了「快充」功能。「快充」到底是怎麼一回事,怎樣才能讓手機充電充得更快呢?

手機充電的原理是什麼?

1991年,索尼和旭化成公司聯合發布了首款商用鋰電池,從此,鋰電池開始被廣泛用於數碼3C產品當中,手機自然也不例外。愛範兒(微信號:ifanr)曾在之前的文章中提及過鋰電池的工作原理:

鋰電池分為正極和負極,正極是鋰化合物,負極主要採用石墨材料,均浸泡在電解液當中。

無論是放電還是充電,其實都是鋰離子在電池的正極與負極之間移動、電能和化學能相互轉換的過程。充電時,由於電場的作用,鋰離子從正極移動到負極,並存儲能量;放電時,鋰離子在化學反應的作用下從負極又移動到正極,此時形成電流供電。

large

鋰電池充電的速度,實際上就是電能轉化為化學能的速率,也就是所謂「功率」(P)。簡單回顧一下中學物理,眾所周知:

P=IU
功率=電流*電壓

電流或電壓越大,功率也就越大,鋰電池充電速度理應更快。但受到鋰電池本身的限制,在欠壓或過壓的情況下充電,都會對電池產生損傷,因此鋰電池的充電方式比較特殊,通常分為三個階段:

  • 恆定電流預充電(Constant Current Pre-charge Mode)
  • 大電流恆定電流充電(Constant Current Regulation Mode)
  • 恆定電壓充電(Constant Voltage Regulation Mode)

在手機完全沒電時,充電器先通過電流較小的恆定電流對鋰電池進行充電,使其慢慢恢復活性;一段時間後,充電器會加大恒定電流,並逐步提高電壓,這是鋰電池充電的主要階段;電池電量在80% 左右時,充電器會在恆定電壓下慢慢減小電流的輸入,直到電流低於某個臨界值,此時手機顯示充滿電。

這樣的充電流程,一般都是由手機內置的電源管理芯片進行控制的,而充電器大部分情況下僅僅是根據電源芯片的指令進行調控而已。

75c11439800018

因此,如果要提升手機鋰電池的充電速度,必須在「大電流恆定電流充電」階段下功夫。

在功能機時代,手機對電池容量的要求不高,鋰電池技術也不那麼成熟,為了使鋰電池充電趨於穩定,當時大部分廠商都遵循國家建議的低倍率充電標準「5V 0.2C」— —即充電電壓為5V,充電電流為0.2C(C 代表代表電池充放電的速率,當電池以1C 的電流充電時,1 小時即可完全充滿電。如果是1000mAh 容量的電池,1C 就是指充電電流為1A;2000mAh 容量的電池,1C 就是指充電電流為2A,以此類推)。

但隨著智能手機時代的到來,手機對電量的需求大增,低倍率充電標準已經很難滿足充電的需求。而此時鋰電池技術也有了較大的發展,穩定性更好,充放電的耐受性也有所提升,「快充」開始登上舞台。

 

什麼是「快充」?

本質上,「快充」就是一種在合理範圍內提高手機充電功率的技術,旨在為手機迅速補充大部分的電量。由於功率與電壓和電流的大小有關,目前「快充」主要分為以下兩種方案:

  • 高壓小電流
  • 低壓大電流

「快充」是一整套的充電解決方案,需要手機內置的電源管理芯片、充電線、充電器三部分共同協調,缺一不可。

iPhone 就是一個典型的反例。儘管iPhone 8、iPhone X 都已經支持快充,但配套的充電頭卻是「5V 1A」的規格,滿負荷時功率也僅僅只有5W,充電效率極低。

早在2013 年,高通就意識到了「快充」對智能手機的重要性,當時就推出了Quick Charge 1.0 標準,通過提高輸入電流來提高充電效率,讓搭載驍龍600 處理器的手機支持「5V 2A」充電。

但由於micro USB 接口的限制,超過2A 的電流很可能會造成損毀的情況,於是高通又想到了另一套解決方案——提高接口的電壓。在把輸入電流限制在2A 以內的情況下,通過提高供電電壓,同樣可以達到提升功率的效果。

經過不斷地改進,高通的Quick Charge 2.0/3.0 可以實現「9V 2A」,也就是以最高18W 的功率進行充電。

(高通Quick Charge的演進,圖片來源:Anand Tech

「高壓小電流」快充方案啟發了不少同行,聯發科的Pump Express Plus 1.0/2.0、三星的Fast Charge、魅族的mCharge 3.0 都是類似的解決方案。

不過,在高電壓輸入手機之後會有一個降壓過程,此時手機內部會產生熱損耗,導致發熱嚴重。因此,不少採用這套方案的手機在亮屏時都不會激活快充,以防機身過熱。

此外,由於廠商之間存在競爭關係,因此儘管快充實現原理相似,但彼此之間存在兼容性問題,因此要提升充電效率,首要的是選擇兼容性好的充電器。

2014 年,搭載VOOC 閃充的OPPO Find 7 橫空出世,充電功率達到驚人的22W。隨著OPPO 手機的熱賣,「充電五分鐘,通話兩小時」的廣告詞也深入人心,消費者開始認識到「快充」的意義。

VOOC 閃充的快充原理就是「低壓大電流」策略。

由於micro USB 接口限制了輸入電流的大小,因此OPPO 乾脆將整套充電系統進行定制——充電器、充電線、手機內部電路都進行改造,並採用電池多線路充電的方法,使得VOOC 閃存能夠以「 5V 4A」進行充電。

(VOOC 閃充充電器)

VOOC 閃存的好處在於,把充電過程中的發熱組件基本都設置在充電器裡,在實現快充的同時手機不至於過熱。但缺點也比較明顯,一是得配合VOOC 閃充充電器、充電線才能使用, 二是整套解決方案成本較高,搭載VOOC 閃充的手機價格都不會太便宜。

歸根結底,手機快充的癥結所在,就是那個小小的micro USB 接口——你可能也注意到了,近年來搭載USB-C 接口(全稱USB Type-C)的手機越來越多,實際上這就是手機接口革命的前兆。USB- C 可以說是未來接口標準的一個交點,有以下幾個重要特性:

  • 支持正反插拔
  • 兼容USB 3.1 標準,最快支持10Gbit/s 傳輸
  • 支持USB Power Delivery 充電協議,最大可以提供100W 的電力,並且可雙向供電
  • 支持DisplayPort,可以輸出音頻與視頻

(USB-C接口的好處,圖片來源:LinkedIn

目前USB-C 最典型的應用,其實就在任天堂年初發售的新主機Switch 上。僅靠USB-C 接口,Switch 就實現了正反插拔、主機供電、遊戲輸出等功能,讓Switch 能在掌機和主機之間自由切換。這也是為什麼新MacBook、MacBook Pro 都只採用Thunderbolt 3 接口的原因(外觀與USB-C 相同,功能上兼容USB 3.1)。

USB-C 支持USB Power Delivery 充電協議(簡稱為PD 充電協議),得以讓手機充電的輸入電流、電壓都有所突破,最高可達「20V 5A」。

dsc00636

(新MacBook Pro 搭載了四個USB-C 接口)

現階段,USB-C還處在一個過渡期,並不是所有採用USB-C接口的手機功能都兼容USB 3.1標準、採用PD充電協議,但根據充電頭網的消息,新標準或將於12月份公佈,屆時,手機市場也許會迎來快充新秩序。

此外,2017 年發布的三款新iPhone 也都支持PD 充電協議,採用「高壓小電流」的快充方案,輸入功率可達15W,不過電量達到75% 之後功率會降低到7.5W 左右。

(iPhone 8 Plus快充實測,圖片來源:@李小白nemo

小技巧:怎樣讓手機充電變得更快?

弄清楚手機快充的原理和類型之後,提高手機充電速度的辦法也就一目了然:

  • 充電時少玩手機
  • 開啟「省電模式」進行充電
  • 選用合適的快充充電器

前兩點很好理解,屬於能夠小幅提升充電速度的技巧。

對於採用「高壓小電流」快充方案的手機,由於在手機內部存在降壓過程,會產生熱損耗,因此亮屏時通常都不會激活快充,以防機身過熱。

而開啟「省電模式」(iOS 稱為「低電量模式」)後,手機系統的各項功耗都會有所減少,因此充電速度也就更快。目前,Fast Charging 等號稱能夠讓充電速度變快的App,也都是採用類似的原理——通過嚴格地控製手機的功耗,來提升手機充電速度。

(iPhone 的「低電量模式」開關)

事實上,選用合適的充電器,看似微不足道,卻是最影響手機充電效率的部分。

支持快充的Android 手機,原裝充電器的充電速度通常都是最快的。如華為Mate 10 使用標配的HUAWEI SuperCharge 充電器,就能以「5V 4A」的低壓大電流進行充電,但如果使用其他的充電器,則無法保證快充效果。

如果你不確定自己手頭的充電器是否支持快充,也可以簡單地通過充電頭上標識的參數進行判斷:

「圓圈閃電」標識表示支持高通Quick Charge 技術,只要你的手機搭載了高通處理器,基本上都可以用這種充電頭實現快充。

「輸出功率」則決定了充電速度的快慢,功率在15W 以上的充電頭都屬於快充頭。一般來說功率較大的充電頭,充電速度會相對更快一些,但具體還要視機型的支持情況。

比如用小米6 標配的充電頭,給小米6 充電能夠以15W 的功率進行充電,但給紅米Note 4X(驍龍625 版)就只能以10W 的功率充電,雖然都屬於Quick Charge 的範疇,但充電速度差距明顯。

至於OPPO 採用的VOOC 閃充方案,由於定制化程度更高,因此只有使用標配的VOOC 充電器以及充電線才能實現20W 功率的快充。

值得一提的是,手機充電的功率是由手機進行控制的,不同標準之間存在「握手協議」。充電器會自動根據手機的指令對輸入功率進行調控,因此不必擔心大功率充電器把燒毀手機的問題。反倒是大功率充電器不容易滿負載運行,因此發熱量會比小功率的充電器更小一點。

至於萬年標配5W 慢充頭的iPhone,建議購入蘋果官方的12W 充電器,這也是性價比較高的iOS 設備快充解決方案。

iPhone 8 / iPhone X 雖然支持快充,但需要額外購買蘋果官方的29W 充電器以及Lighting 轉USB-C 的數據線,二者分別為 17XX 元和 850  元,也就是你要多花2500 元才能使用29W 的充電頭。

如果選購670元的12W的充電器,雖然輸入功率上不如29W,但已經比5W的慢充頭快得多了。根據AppleInsider的測試,給iPhone 8 Plus充滿電,12W充電器雖然比29W的慢了約20分鐘,卻足足比5W慢充頭快了一個小時。

(iPhone 8 Plus充電測試,圖片來源:AppleInsider

此外,12W 充電器還能給舊款的iPhone 6s、iPhone 7 充電,可以實現最高10W 的充電功率,這也比原裝的5W 慢充頭快多了。

在電池技術沒有大步闊進的情況下,「快充」對用戶體驗的確有顯著的提升。但混亂的快充標準、配件的兼容性問題,又成為製約「快充」的短板。

得等到什麼時候,Android 才能統一快充標準,iPhone 才會標配快充頭呢?

您可以選擇一種方式贊助本站

  • 版權聲明: 本文源自互聯網, 於9個月前,由整理發表,共 4527字。
  • 原文鏈接:點此查看原文

發表評論

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen: