浅谈手机充电器的发展衍变和未来发展趋势

东莞市奥海科技股份有限公司 郭修根

手机，目前已经成为人们生活中不可或缺的一个工具，在过往的二十年里，手机经历了由单纯的移动电话到智能多媒体终端发展的一个过程。随着手机功能的增多，耗电量也成倍增加，手机电池也同步加大，同时也引发了手机充电器的变革。

在本世纪初，手机得到了较好的普及，此时的手机实质上就只是一个移动电话，仅提供打接电话的功能，并且均为小屏幕黑白机，配备500mA以下的锂离子电池，充满一次电后，可以维持手机待机5-7天，这个时候的手机充电器多为线性电源，由一个线性变压器加整流稳压电路构成，效率比较低下，普遍不到50%.输出多为5V500mA，充满一次手机约2.5个小时。

图1 手机充电的模型图

如图1所示，充电器输出电压经过反向阻断二极管，采样电阻，功率三极管流至手机电池，对手机电池进行充电。电池标称电压一般为3.7V，充满后电压一般为4.2V，而充电器的输出电压一般为5V，那么，经过这条回路后，多余的电压将消耗在三极管上，因此，三极管上将有较高的功率损耗，转换效率较低，所以，这种充电模式，只适用充电电流不大的手机，早期的功能机电池容量较小，使用这种电路就可以满足需求，整体成本也较低廉。

在本世纪初一直到10年代未，手机充电器一直遵守上述的原理，充电电流也有加大，但基本都维持在700mA以下，期间为了节约能源，减小充电器的体积，充电器由原线性电源发展至开关电源，开关电源又由早期的RCC电路，逐步过渡到IC方案电路。但是手机内部的充电电路基本上没有发生变化。

直到本世纪10年代初期，彩屏智能手机开始普及，电池也逐渐增大至2000-3000mAH，原有的5V500mA，700mA充电器如果用来充这种智能手机，那将导致充电时间达到5-6个小时，这是消费者难以接受的（早年消耗者接受的充电时间一般在2.5小时左右）。这个时候，高通（Qualcomm）站出来说话了：试试5V2A吧，于是就有了QC1.0。高通的QC1.0只是一个单纯加大电流的充电解决方案。随着充电电流的加大，手机内部如原图1所示的电路，将会在三极管上引发极大的热量，我们假定充电器的输出电压为5.2V，线路损耗0.2V，电池电容低时，电池电压为3.7V，反向阻断二极管上的压降为0.6V，限流电阻上压降为0.1V（其它线路损耗暂忽略不计），则三极管上所消耗的功率P=UI=(5.2-0.2-3.7-0.6-0.1)*2=1.2W，如此势必导致三极管极速发热，最终引发手机的温度快速上升。解决方案有两种：（1）将三极管改大或改为mos管，加大其散热面积，可以知道，这种方式，可以有所缓解，但治标不治本，较难有质的改变。（2）将三极管改为开关集成电路，这种开关电路有较高的转换效率，因此发热较少。这种开关电路和一些保护控制电路集成在一起，就成了我们常说的电源管理集成电路（PMIC）。

图2

如图2所示，PMIC实质上为DC TO DC的开关电源外加控制电路组成，开关电源将手机充电器的输出电压转换为电池所需的输入电压，开关电源有较高的转换效率，一般都达到90%以上，因此，相对之前的三极管降压电路，发热减少了很多，所以，可以通过更大的充电电流。

5V2A的充电方式用了近两年的时间，随着琳琅满目APP的增多以及WIFI和3G网络的普及，手机的屏幕逐渐加大，消费者使用手机的频次也大大增加，手机一天充多次的情况经常出现。而每次充电约3个小时的时间变得让消费者较难接受，尤其是在白天的工作时间段，一边要外出办理事情，一边还要等待手机充满，大大影响了工作效率。在电池容量体积比不能快速增加的情况下，消费者就把希望寄托于充电时间的加快。

然后传统的Micro USB接口受物理限制，2A的电流已经达到一个上限值，在不改变其物理结构的基础上，再加大电流将引入风险。这个时候(2014年)QC2.0应运而生。

图3

QC2.0最大电流还是控制在2A，但将输出电压提高至9V甚至12V（需要协议的支持，在协议不匹配的情况下，还是输出默认的5V），这样功率就加大到最大24W(实际上考虑成本和发热的问题，典型值多为15W)，这个输出电压通过数据线加载到手机端的PMIC上，PMIC再转换为电池所需的电压给电池充电。因为充电功率加大了，所以充电速度也加快了。当然，快速充电的模式，对电池也提出更高的要求，需要电池能够承认大电流的冲击。这种提升电压的快充方式，不需要改变接口及数据线的物理结构，具有很强的通用性。并且，因为电压提高了，纵使使用了内阻较大的数据线，也对充电速度影响较小。以5V1.8A和9V1A为例。见图3，5V1.8A的线路损耗P=I*I*R=1.8*1.8*(0.3+0.2+0.1)=1.944W，损耗占总功率百分比＝1.944/9=21.6%，而同等功率的9V1A，在数据线不变的情况下，线路损耗为P=I*I*R=1*1*(0.3+0.2+0.1)=0.6W，损耗占总功率百分比＝0.6/9=6.6%，同样功率的充电器，使用智能快充时，损耗将减少15%，这将有利于提升充电速度，减少能源浪费．同时，因为数据线及手机端的损耗减少，发热也将会有所降低。

QC2.0这种充电模式，使充电模式有了跨越性的进步，同期，其它厂商也推出了类同于这种充电模式的其它制式，如三星的AFC，华为的FCP，MediaTek的PE+1.1，充电模式和QC2.0基本一致，需要说明的是，其它几种协议都是靠D+，D-来传递信号，数据线必须含D+，D-两条线，而PE+1.1是靠电流的波动来传递协议信号，只有要Vbus和GND线就可以，无需D+和D-。以QC2.0充电器作评测，一台约3000mAH电池的手机，充满大概需要1.5小时。而在1小时左右，就可以将电量充满至80%左右，满足你出差在外一天的需求。QC2.0基本满足了消耗者对充电速度的要求，但随之而来的是，很多消耗者反馈充电时手机发热很大，尤其表现在边充边用的时候，手机发烫，这是因为PMIC转换功率加大，发热增多所引发的，它给消费者带来非常不好的体验，在这种情形下，高通在2015年适时推出了改进版的QC3.0。

QC3.0总的充电架构和QC2.0没有太大的分别，还是通过提升电压来提升充电功率。只是在QC2.0时代，电压只有5V，9V，12V（Class B支持20V）这几个档位，QC3.0则是连续可调输出电压。PMIC的效率和两端的压差有较大的关联，而随着手机电池电量的变化，PMIC两端的电压也发生变化，PMIC不能始终保持最高效率下工作。而新改进的QC3.0，电压以0.2V为步进，可以通过协议协商，调整充电器的输出电压，保证在任何充电时刻，PMIC两端的压降都一样，获取最高的效率，见图4示例，通过程序预设手机充电所需要的电压，根据充电的不同时段，手机要求充电器提供相应的电压，让其始终保证PMIC两端的电压为3.8V(PMIC最佳工作压差--假设值)，也即最大程度的减少发热。而发热和充电功率加大是个反作用的问题，发热减少，同等条件下则可以再提升充电的功率，达到更快充电的目的。

图4

类同于QC3.0充电模式的，还有PE+2.0，这里就不再详述，QC3.0充电模式改善了手机的发热，可以进一步加大电流，在6V输出的时候要求电流必须达到3A，用18W的QC3.0充电器充电实测，可以在约40分钟的时间内，让一台容量为3000mAH的手机充至80%，让消费者的体验更好。细心的读者可能会注意到，3A的电流已经超过了Micro USB接口的上限，这个时候，厂商已经开始使用Type C的接口，在后面我们会更一步描述。

看上去，充电器到了这个阶段，满足需求是已经没有太大的问题，但是，消费者的体验是无上限的，手机厂商为了获取更大的卖点，而欲进一步提升充电的速度。刚才说到，QC3.0模式在充电时，保证了手机端PMIC的发热最小，然而，再小的发热也是发热，在极致的追求下，这个发热是难以被接受的。这个时候，拿掉PMIC，直接对电池充电的充电模式进入新的时代，百家争鸣。如果需要对电池直接充电，那么，需要的电压是较低的（通常为4.35V以下），而又要实现快充的目的，则只有加大电流(通常为5A)，之前，受限于MicroUSB接口最大可通过2A电流，这种充电模式，必须采用特定非标的接口，以O公司5V5A低压直充为例，在原有的MicroUSB 5PIN的接口上，两边各增加1个PIN，用来传输功率。很显然，这种充电方便不适用于一般的数据线，5A的电流将对普通数据线易造成过热的风险。当然，实际的情形是，手机厂商考虑到这方面的问题，通过一些检测限定电路，在数据线或手机不匹配的时候降为普通的5V2A充电。手机端除了直通的通路外，也会还有一路普通用作于5V2A充电PMIC。

图5

如图5所示，当充电器，数据线，手机三者都匹配时，程序判定可以进入低压快充阶段，S1开关合上，充电器的输出电压直接加到手机电池上，PMIC不起作用，损耗为零，获取最佳的充电效果，当三者有一方不匹配时，S1断开，充电走普通的PMIC通道，启用5V2A普通充电模式。

可以看出，这种充电模式，接口和线材都需要定制，在早年，仅有个别手机厂商在使用，没有成为主流。但随着2016年USB-IF推出了Type C接口，给这种充电模式提供了新的契机，新的type C接口最大可以承载5A的电流（＞3A的数据线需要用到E-mark），摆脱了原MicroUSB接口最大只能承载2A电流的限制，且还支持正反插，线据线由原来的定制可以变的相对通用。各大手机厂商，芯片厂商开始重新投入这一块的研究及应用，开始进入百花齐放的阶段，华为的SCP，M公司的超级闪充，高通的QC4.0，MediaTek公司的PE+3.0，OPPO公司的VOOC，协议上虽有所不同，但充电模式上都大同小异。至此，一种新的充电模式，大放光彩----充电X分钟，通分X小时。

低压直充应该是已经将充电模式用到极致了，但随之而来也衍生了一些问题，大的电流（5A）需要一条较粗的数据线，Typc C线电流超过3A则需要用到E-mark芯片，整体的成本将上升，同时大的电流也更容易引发安全事故。并且，5A电流已经是type C线的上限，那么，充电器的最大功率最限制在25W(实际最大为4.2*5=21W)，要想增大功率加快充电速度已经无能为力。看上去已经山穷水尽，但是，科技的进步是永无止境的，一种新的电源管理IC--电荷泵的出现，给我们带来充电模式的又一村。以图6所示dialog公司的DA9318为例，它支持最大20V的输入，输出则精准的限定为输入电压的一半(Vin/2)，它拥有极高的效率（＞98%），单颗最大功率达到44W，如果我将充电器输出设为10V2.25A，那么在通过如下IC后将转换为5V5A，这颗IC的转换效率高达98%，损耗可以小到忽略不计，这就是高压直充的由来。

图6

图7 手机充电器的发展历程

高压直充在充电的效果上是等同于低压直充的，但在同等功率下，高压直充充电器输出的电流仅为低压直充的一半，对数据线的要求就大大降低了，在30W以下，使用不带E-mark的个新的技术，早在1891年特斯拉就提出过这个概念，2012年Nokia就有了支持无线充电的手机。无线充目前也主要作为手机一个辅助的充电模式，让消费者获得了更好的体验，但在充电方面，因目前多为5W和10W，总体的充电速度远不如插线的充电器。

最后，用图7所示总结一下手机充电器的发展历程。

充电器发展到现在，还能发展吗？答案是肯定的，消耗者的追求及技术的进步是无止境的，就算半个3A的线材就能满足。之前的低压直充25W己接近功率上限，再要加高，则需要非标的type C线材，而采用高压直充后，使用标准的type C线，可以做到高达50W的输出功率。

说到充电器，USB-IF是不可逾越的一家组织，Mini USB，Micro USB，Type C等接口都是这个组织定义出来的，USB-IF在快充的标准发布上，走的比较平缓，直至2012年才发布PD1.0，2014年更新为PD2.0，类同QC2.0的模式，但支持7组电压输出，最多达到20V，其宗旨在于兼容更多的设备，统一电源。而在2017年元旦前后，USB-IF突然发布PPS(Programmable Power Supply)，设立四组APDO，最高支持3.3-21V按20mV，50mA为步进连续可调，同时，高通也表示接纳PPS协议。至此，单从电源输出的角度上来说，PPS已经涵盖了市面上所有的充电方式：QC2.0，QC3.0，QC4.0，PE+1.1，PE+2.0，SCP，FCP，AFC，VOOC，高压直充等，当然，这只是从技术的角度，现实的情况是目前各大的手机品牌商都推自己的私有协议VDM（Vendor Defined Message），相互设置瓶颈，如要真正做到兼容，还需要各家协议的相互开放，才能真正的一统充电器的天下，看上去，USB-IF正在做这个事情，让我们拭目以待。

还是应该说说APPLE，从Ipone4到现在的IponeX，苹果千年不变的标配5V1A充电器，可以看出苹果在快充这一领域相对是比较保守的。但从消耗者对IphoneX的测评来看，iphoneX可支持到PD2.0充电，从零充到80%约45分钟（采用标配的充电器需要约2小时）。以此是不是可以认为苹果也开始在走快充之路呢？

说一下充电器的另一个分支--无线充，无线充并不是一小时能充满手机，也未必能让消费者完全满意，随着石墨烯等材料的出现，即充即满的充电方式会成为未来的趋势，只要一插上电，几秒的时间内，就可以将一部电量为零的手机立马充满，要实现这种效果，未来的手机充电器功率可能会超百瓦，需要有更多的安全防护机制，让我们更多期待！

引文

①YDT 1591-2009 移动通信终端电源适配器及充电/数据接口技术要求和测试方法[S].

②GB4943.1-2011信息技术设备 安全[S].

③YD 1268-2003移动通信手持机锉电池及充电器的 安全要求和试验方法[S].

④移动通信终端快速充电技术要求和测试方法——审批稿[S].

⑤Dialog公司DA9318芯片datasheet[S].