一文了解充電器歷史

充電器將高壓轉(zhuǎn)換成低壓同時(shí)能夠?qū)﹄姵剡M(jìn)行恒流、恒壓等模式進(jìn)行充電,有時(shí)候也稱為適配器。對(duì)手機(jī)充電器來說，充電器負(fù)責(zé)電壓變換、功率輸出和以及限流保護(hù)，手機(jī)內(nèi)部配有電池管理系統(tǒng)，對(duì)電池的電流、電壓和電量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

1、大塊頭

筆者最早接觸的充電器是兒時(shí)隨身聽大塊頭充電器，其內(nèi)部是一個(gè)工頻變壓器加整流橋和平滑電容，內(nèi)部都不帶有穩(wěn)壓器的，別問我是怎么知道的。在那時(shí)覺得這是一個(gè)極其神奇的存在，可以取代電池，要知道，那時(shí)候的電池用不了多久就光榮退休了。笨重，構(gòu)造簡(jiǎn)單同時(shí)也可靠耐用。NOKIA早期的充電器就是這種原理，輸入為220VAC 50Hz輸出為3.7VDC并提供最大355mA的充電電流，輸出功率僅1.3W。充電線和充電器是一體的，而充電口也是圓形的，雖然輸出功率不大，可是塊頭卻很大。不過對(duì)于當(dāng)時(shí)幾百幾百毫安時(shí)的手機(jī)電池足夠了。

交流適配器(0.9W)

Nokia標(biāo)準(zhǔn)旅行充電器

工頻變壓器

2、小身材，大能量

早期的Nokia數(shù)據(jù)線和充電線還是分開的，USB數(shù)據(jù)線只能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而無法進(jìn)行充電。誕生于上世紀(jì)中期的USB，最初是將諸多外設(shè)連接至計(jì)算機(jī)，并不具備充電的能力，但是能提供一定的供電能力。2000年出現(xiàn)的USB2.0，默認(rèn)外設(shè)吸收100mA的電流，通過協(xié)商能最大能提供500mA的電流。手機(jī)或者其他想使用USB設(shè)備充電的制造商在插入U(xiǎn)SB2.0設(shè)備時(shí)，最多能獲得500mA的電流。同時(shí)期手機(jī)配備的充電器輸出電流在500mA上下浮動(dòng)，當(dāng)然具體以多大電流充電依舊是由手機(jī)控制而非充電器決定。

使用USB數(shù)據(jù)線作為充電線，具有很強(qiáng)的通用性，數(shù)據(jù)線可以換著用，充電器也可以換著用，甚至任何一個(gè)USB口都可以插上為手機(jī)充電;充電和數(shù)據(jù)傳輸可以同時(shí)進(jìn)行，你可以邊傳圖片，邊充電，好吧，只要插上不管干什么都得充電。既然使用USB接口充電那就要服從USB IF(USB Implement Forum，USB規(guī)范的提出機(jī)構(gòu))的指揮，標(biāo)準(zhǔn)的USB2.0能提供500mA的電流，目前市面上大部分都是USB2.0，也有部分USB3.0，其最大電流為900mA。USB BC(BC Battery Charge電池充電，以后簡(jiǎn)稱BC規(guī)范)是USB IF提出的充電標(biāo)準(zhǔn)，USB2.0規(guī)范沒有關(guān)于充電的標(biāo)準(zhǔn)，BC規(guī)范(廣泛應(yīng)用的版本是BC1.2)是USB2.0協(xié)議族的補(bǔ)充，所有采用Micro-USB接口充電的設(shè)備都應(yīng)滿足這一標(biāo)準(zhǔn)，但總有例外例如蘋果，三星。BC規(guī)范將最大充電電流提升至1.5A。

BC規(guī)范的核心是識(shí)別機(jī)制，通俗的講，手機(jī)不再盲目地汲取電流，而是根據(jù)USB設(shè)備類型而決定。將供電的設(shè)備分為3種，能提供500mA電流的USB，能提供1.5A的USB，和能提供1.5A的充電器。至此手機(jī)充電器，已經(jīng)能提供最大7.5W的功率，使用的開關(guān)電源技術(shù)，功率增大的同時(shí)體積卻大大減小。

RCC充電器電路(5V500mA 2.5W)

3、快充時(shí)代

智能手機(jī)出現(xiàn)以后，徹底改變了人們的生活，手機(jī)處理器性能越來越強(qiáng)勁和內(nèi)存越來越大，對(duì)電量的需求也是越來越大。手機(jī)電池也越來越大，當(dāng)電池容量突破3000mAH大關(guān)，5V 1.5A充電時(shí)間已經(jīng)相當(dāng)可觀了。在手機(jī)處理器界占據(jù)大半壁江山的高通，振臂一呼QC1.0(Quick Charge 1.0 快速充電) 打破BC 1.2 對(duì)于1.5A的限制，達(dá)到5V 2A，充電時(shí)間縮短了40%，現(xiàn)在千元機(jī)大部分都配置了5V2A的充電器。Micro-USB，電流限制一般認(rèn)為是已經(jīng)到了極限，再提高電流將增加發(fā)熱，對(duì)于數(shù)據(jù)線和接口提出更高要求。

我們知道功率為電流和電壓的乘積，提高充電輸入，就是加大充電的功率，既然電流已經(jīng)到了極限，那么可以提高電壓，繼續(xù)加快充電速度，QC 2.0應(yīng)運(yùn)而生，通過握手協(xié)議，讓手機(jī)與快速充電器相互識(shí)別，充電器可以輸出9V、12V和20V的高壓，在2A電流不變的情況下繼續(xù)提高充電功率，而且現(xiàn)有的線材和接口完全可以滿足。但是電壓太高又會(huì)引入新的問題，電池電壓一般為4.2V，輸入過高的電壓，手機(jī)就要負(fù)責(zé)將高壓降至4.2V左右的低壓才能進(jìn)行充電，電壓變換階段效率不會(huì)是100%，就必然有一部分以熱量形式散發(fā)出來。而且電壓差越大，發(fā)熱量越高，這也是快速充電時(shí)手機(jī)發(fā)熱的原因之一，還有一部分是電池發(fā)熱。大部分手機(jī)廠商也只采用了5V、9V和12V三個(gè)檔，20V幾乎沒有采用的。當(dāng)支持QC2.0的手機(jī)和充電池配合使用，將大大縮短充電時(shí)間。

QC3.0兼容QC2.0同時(shí)將電壓繼續(xù)細(xì)分采用INOV算法，以200mV為一檔調(diào)整，最低可下探至3.6V最高電壓20V，并且向下兼容QC2.0。由于Type-c接口逐步取代原來的Micro-USB接口，最大電流也提升到了3A;標(biāo)準(zhǔn)輸出方案：3.6V～6.5V3A,6.5V～9V2A,9V～12V1.5A (18W)。QC4.0技術(shù)將最高功率調(diào)整到28W，方案設(shè)計(jì)為5V/4.7A~5.6A和9V/3A，舍棄了12V的設(shè)計(jì)，且步進(jìn)電壓調(diào)整為10mV。由高壓小電流轉(zhuǎn)向低壓大電流，粗獷到精細(xì)化控制的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)。

快速充電無非提高電流或者提高電壓，在Micro-USB時(shí)代電流2A已經(jīng)是瓶頸，快充的解決方案是高壓小電流。到了Type-C時(shí)代電流突破5A，快充的解決方案更傾向于低壓大電流?；镜姆桨赣辛?，剩下的問題就是解決何時(shí)輸出高壓，何時(shí)輸出低壓。除了高通的充電協(xié)議，許多廠商如OPPO、華為、魅族和MTK等廠家也推出了自己的快充協(xié)議，其本質(zhì)都是先用5V標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行充電，然后進(jìn)行握手識(shí)別，進(jìn)而手機(jī)控制充電器的功率輸出，或提高輸出電壓或增大輸出電流。典型的低壓大電流充電技術(shù)是OPPO的VOOC，VOOC為了滿足大電流輸出的要求將標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)先進(jìn)行改造，由傳統(tǒng)的5針增加至7針，外形還是Micro-USB的樣子，低壓充電技術(shù)的好處是手機(jī)端不會(huì)增加額外的電壓轉(zhuǎn)換，大大減小充電發(fā)熱量，對(duì)于充電器來說，增加和減小輸出電壓，效率變化不是很大，加上次級(jí)應(yīng)用同步整流技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)熱量不會(huì)很大。

以支持QC3.0的快充芯片FP6601Q為例簡(jiǎn)單分析快充的識(shí)別控制過程。

C2.0/3.0 輸出電壓對(duì)應(yīng)表

FP6601Q典型應(yīng)用原理圖

該芯片默認(rèn)控制輸出5V 首先將D+和D-置于2.7V，以便于能為蘋果設(shè)備充電。如果接入QC2.0/3.0設(shè)備，D+電壓會(huì)被拉低到0.325V和2V之間，同時(shí)芯片內(nèi)部將D+和D-短接，進(jìn)入BC1.2 模式即輸出5V@1.5A，如果D-繼續(xù)維持在0.325V和2V之間超過1.25秒，那么將進(jìn)入QC2.0/3.0或FCP(華為的高壓充電協(xié)議)模式。對(duì)于QC2.0芯片根據(jù)D+和D-的電壓輸出5V、9V和12V，對(duì)于QC3.0則進(jìn)入連續(xù)模式，根據(jù)D+/D-步進(jìn)調(diào)整電壓：D+數(shù)據(jù)線上，超過200uS的高脈沖將步進(jìn)提高電壓，直到電壓升高至12V，D-數(shù)據(jù)線上，超過200us的低脈沖將步進(jìn)降低輸出電壓，直至電壓降低至3.6V。

可見快充技術(shù)并不存在技術(shù)難題，而是各大廠商為了省去不菲的認(rèn)證費(fèi)用，都在使用自己的快充協(xié)議，實(shí)現(xiàn)快充就必須使用原裝的充電器，否則就只能以5V慢充。USB-PD的出現(xiàn)有望出現(xiàn)統(tǒng)一的局面，拭目以待。

標(biāo)準(zhǔn)充電器電路板(5V1A 5W)

具備快充協(xié)議的適配器(5V3A/9V2A/12V1.5A 18W)

享受快充帶來便利的同時(shí)，快充是否會(huì)加速電池老化，縮短電池壽命呢?答案是不會(huì)。影響電池壽命的原因有幾個(gè)，過沖過放，溫度過高或過低。針對(duì)電池，正如前面所述，目前手機(jī)內(nèi)部已經(jīng)集成了電池管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的溫度，充電電流和放電電流?？斐淠芴峁┖艽蟮墓β剩蔷唧w能有多少進(jìn)入手機(jī)電池，還是手機(jī)自己控制的。充電速度和放電速度都控制在電池允許的范圍內(nèi)，可以放心使用快充。

部分高端機(jī)型已經(jīng)配備無線充電器，不會(huì)出現(xiàn)有線連接帶來的插拔磨損，即放即充，隨用雖取。無線充電目前功率在10W左右和有線快充動(dòng)輒20W的速度還是有差距的而且無線充電也不是真正的無線，手機(jī)需要放到配套的充電座上。無線充電尚處于發(fā)展初期，市場(chǎng)上出現(xiàn)的無限充電設(shè)備數(shù)不勝數(shù)，能給消費(fèi)者帶來便利的并不多，各大手機(jī)廠商也不曾忽視這一技術(shù)，紛紛在自己的旗艦機(jī)型上配備該功能，當(dāng)無線充電技術(shù)實(shí)現(xiàn)真正的無線，那么取代有線快充的日子也就不遠(yuǎn)了。

快速發(fā)展的新能源汽車，使用的充電樁，從功能上來看就是一個(gè)大型快充，只是保護(hù)機(jī)制更完善，充電機(jī)制更智能，充電功率更大，新能源汽車與傳統(tǒng)汽車相比最大的劣勢(shì)便是充電時(shí)間要遠(yuǎn)大于加油時(shí)間，而續(xù)航里程卻低于傳統(tǒng)汽車。在充電樁加持下，充電時(shí)間都不夠短，使用無線充電，則毫無優(yōu)勢(shì)可言。如果是為了省卻下車插槍充電的煩惱，只為瀟灑鎖車離開，那倒可以一試無線充電;但是如果想盡快充滿電開走，還是乖乖使用充電樁吧。對(duì)于新能源汽車，無論是有線充電還是無線充電，充電速度都是亟待解決的問題。

本文來源：釋說芯語 Hexe