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24W的门槛限制
智能手机对“快充”的参数指标总是随时间而不断增大的。比如，在充电标准还以5V/1A为主的时代，5V/2A（10W）就算快充;在5V/2A一统江山后，只有功率超18W才能被冠以快充的称号。
在快充技术的发展历史中，又逐渐衍化出了“低压高电流”（如OPPO VOOC、-加DASH、华为SFCP）和“高压低电流”（如高通QC2.0、华为FCP）两大阵营，但前者受制于“P=I^2*R”这个公式，电流大小多在4A左右;后者受制于高低电压的转换（电压转换的损失会直接转换为热量），大都以9V电压为充电标准。以上，就导致快充功率普遍在10W到24W之间徘徊的现象。
不断突破的充电功率
诞生于2016年底的荣耀Magic应该是首次刷新快充纪录的手机，这款产品采用了5V/8A的“低压超大电流”方案（Magic Power技术），可以实现在当时看来非常夸张的40W充电功率（图2）。
荣耀Magic的特色在于绕过了手机里的充电管理IC，将DC-DC降压的过程放到了充电器端，由充电器直接产生恒流源对电池充电，从而避免了机身内部“高压→低压”转换带来的高发热。同时，荣耀Magic还大幅增加了USB Type-C充电线的线材直径，用以承受最高8A的大电流，缓解来自“P=I^2*R”的发热压力（如果阻抗不变，发热量是电流平方的数倍）。当然，像荣耀Magic的这种低压超大电流方案，无论是充电器还是线缆都需要专门定制，其成本最终都将转嫁到消费者身上。
在2017年初，魅族还曾发布过“Super mCharge”快充技术，它采用了11V/5A“高压高电流”方案，可实现55W的充电功率（图3）！ 和Magic Power相比，Super mCharge无需单独定制充电器和线缆，也不需要改动当前产品的电路设计，它的核心在于一颗拥有更高转换效率的充电单元——电荷泵（Charge Pump）。虽然SupermCharge技术直到2019年初也没能商业化量产，但电荷泵却已然成为了近期众多超过24W快充技术的幕后英雄。
电荷泵的工作原理
正如前文所述，手机充电器端的输出电压多以5V、9V和12V三个档位为主，而手机内置电芯（电池）的输入电压则多在3.3V到4.35V之间，这意味着充电过程需要经过电路降压，损失的能量将以热量的方式呈现出来。问题来了，降压环节都是由充电IC来负责，而这颗IC基本都集成在手机内部，哪伯是高品质的充电IC，其转换效率也多在89%左右。
换句话说，当手机以18W功率充电时，会有大约2W的功率被转换为热量;当以24W功率充电时则会提升到3W，而这就是很多原本支持最高12V/2A的快充技术，在实际应用中却多被限制在了12V/1.5A和9V/2A等保守档位上的原因（图4）。
电荷泵技术是一种DC-DC转换器，它利用电容作为储能单元进行电压变换，在本质上依旧是一颗充电IC，只是其转换效率可以从普通充电IC的89%提升到98%左右，还可选择在電压减半的同时电流倍增的功能。电荷泵的超高转换效率可极大地缓解手机充电时的发热问题，哪伯在40W功率的充电状态下也仅有1W的损失被转换成了热量，比以往的18W还要“清凉”。
接下来，我们就来看看电荷泵技术在新款手机上的应用情况。
华为/荣耀的40W快充
无论是华为Mate 20 Pro带来的HUAWEI SuperCharge，还是荣耀Magic 2所支持的新一代MagicCharge，都可实现高达40W的充电功率（10VAA）（图5）。然而，这两项技术的原理却和第一代荣耀Magic的40W快充有着本质上的区别。
华为/荣耀的40W快充技术背后的秘密就是电荷泵，其原装充电器将10V的输出电压和4A的输出电流通过USB Type-C接口送进手机，再由手机内部的电荷泵将电芯的充电电压降到5V，同时还将充电电流从4A提升到8A，最终在手机内部营造出了一个5V/8A低压大电流的充电环境（图6）。以荣耀Magic2（3500mAh）为例，只需15分钟就能充到50%，30分钟就能充到85%。
当然，在这个过程中少不了对电荷泵的智能监控，并根据手机内的温度通知充电器实时调节电压和电流参数。此外，由于这套方案充电器端的输出电流只有4A，所以市面上任何一根支持5A电流的USBType-C数据线都能搭配Mate 20 Pro/Magic 2的原装充电器对手机进行40W快充，并向下兼容华为/荣耀早前的22.5W超级快充和18W快充标准。
iQOO的44W快充
作为vivo的子品牌，iQOO手机除了武装骁龙855外，另外一个主打卖点就是高达44W（11V/4A）的vivo SuperFIashCharge超快闪充技术了（图7）。和华为/荣耀的40W超级快充相似，iQOO超快闪充技术依旧是电荷泵技术的受益者，兼容任意一根支持5A电流的USBType-C数据线。
iQOO手机的特色在于同时采用了两颗电荷泵充电IC（图8），并将它们分别安置在电池两侧（双IC双路分离式）来优化系统温升，同时引入了FFC和mCU控制器实时检测并控制充电状态，并与原装的充电器进行通信，按需调整充电器的输出功率，确保充电始终维持在最高的工作效率。
在两颗电荷泵充电}C的帮助下，即使是8A的电流峰值，每颗充电}C的最高工作效率都能达到97%，峰值充电时间是单颗电荷泵的2倍到3倍，轻松地让iQOO手机（4000mAh）15分钟充进50%的电量。同时，当主板充电IC开始升温、充电效率受到影响时，位于电池底端的小板IC就会承担更多的高效充电任务，从而让iQOO手机在亮屏充电时做到“充电快，发热慢”的效果。
小米9的27W快充
小米9（3300mAh）主打的27W极速快充方案又称“ChargeTurbo”（图9），号称快充30分钟可充进70%的电量，其高速供电的背后同样是电荷泵技术在助力。根据小米官方的科普资料来看，小米9的27W快充得益于兼容QC4+的充电器、以电荷泵为主的充电IC，以及支持1.5C充电倍率的电池，最大允许的充电电流是4.8A。作为对比，上代小米8的1C电池最大仅支持3.3A的充电电流。
和上述产品相比，小米9的有线快充功率并不算太高，但它却拥有另一项本领，那就是支持20W功率的无线闪充技术，30分钟可充电40%，90分钟充满全部电力，基本达到了小米8的18W有线充电的效率（图10）。
没错，小米9的20W无线闪充技术的核心还是和27W有线快充相同的半压直充方案，即电荷泵技术。这款产品的无线充电底座在搭配原装27W充电器时可以输出20W的充电功率，并让手机端以15V/1.34A來接收功率输入。
在小米9进行无线充电的过程中，首先会经历传统的DC-DC降压流程，以20mV精细调压来保证下一级电荷泵充电的稳定性。接下来，才会通过电荷泵技术进行2：1变压操作将电量充进电池内，中间的转换效率超过了97%。
OPPO的50W快充
2018年，OPPO针对Find X和R17 Pro定制了SuperVOOC超级闪充技术（图11），50W（10V/5A）充电功率是OPPO早前VOOC闪充的2倍以上，只要35分钟就能完全充满手机。SuperVOOC的背后原理，主要体现在使用了2块1850mAh（R17 Pro）/1700mAh（Find X）电芯串联的设计（图12），在保障安全性的同时分压稳流，让每块电池芯承载的电压、电流不超过5V/5A，实现了大功率下充电效率成倍提升的目的。
同时，OPPO专门设计了独立的降压芯片，通过对“电荷泵技术”的反向运用，让双芯电池在工作时，能够精确控制电压电流，保障稳定输出，并用专门定制的VCU智能控制芯片来全线路控压控流控温，提供全方位的安全保障。需要注意的是，无论是VOOC还是SuperVOOC，都需要使用OPPO原装的USB Type-C数据线，这一点没得商量。
看到这里，相信不少朋友还会产生一个疑问，那就是华为/iQOO/小米9阵营，以及OPPO双电芯串联阵营，哪种方案更完美？
华为/iQOO/小米9的技术原理，是直接输入较高的电压，通过电荷泵降（电）压增（电）流，这个方案的特色是充电器只负责输出，由手机端控制充电器输出的电压和电流（充电功率），管理IC无需太过复杂，电池能量密度更高，成本相对较低。
SuperVOOC的技术原理是提高输入电压，由两个串联的电池各自分压，放电时通过电荷泵降压。在整个充电过程中的电流控制完全交给了充电器，手机端负责回传电池电压信息。其优点是充电功率未来还能再提升一个量级，可以在短时间充进更多的电力。但它的缺点也很明显，双电池和双管理IC会拔高成本，难以在有限的空间里进一步提升电池密度（容量偏低）。
总之，随着“电荷泵技术”在智能手机领域的普及，未来会惠及更多主流价位的手机，希望2019年18W快充可以成为过去时，让更多新品可以迈过30W快充的门槛吧（图13）。 |
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发表于 2022-2-27 18:46:16