快速手機充電器的原理是什么

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快速手機充電器的原理是什么

充電器廠家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——這種現象被稱為‘低電量焦慮癥’。

（充電器廠家關于‘低電量焦慮癥’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‘低電量焦慮癥’，那就只能盡量提高手機的充電速度了——‘快速充電器’（簡稱‘快充’）技術應運而生。
包括 2017 年的三款新 iPhone 在內，主流智能手機充電器或多或少都兼具了‘快充’功能。‘快充’到底是怎么一回事，怎樣才能讓手機充電充得更快呢？

手機充電器的原理是什么？
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于數碼 3C 產品當中，手機自然也不例外。愛范兒（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，負極主要采用石墨材料，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，由于電場的作用，鋰離子從正極移動到負極，并存儲能量；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。

鋰電池充電器的速度，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，鋰電池充電器速度理應更快。但受到鋰電池本身的限制，在欠壓或過壓的情況下充電器，都會對電池產生損傷，因此鋰電池的充電器方式比較特殊，通常分為三個階段：
恒定電流預充電（Constant Current Pre-charge Mode）
大電流恒定電流充電（Constant Current Regulation Mode）
恒定電壓充電（Constant Voltage Regulation Mode）
在手機完全沒電時，充電器先通過電流較小的恒定電流對鋰電池進行充電，使其慢慢恢復活性；一段時間后，充電器會加大恒定電流，并逐步提高電壓，這是鋰電池充電的主要階段；電池電量在 80% 左右時，充電器會在恒定電壓下慢慢減小電流的輸入，直到電流低于某個臨界值，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。
充電線

因此，如果要提升手機鋰電池的充電速度，必須在‘大電流恒定電流充電’階段下功夫。
在功能機時代，手機對電池容量的要求不高，鋰電池技術也不那么成熟，為了使鋰電池充電趨于穩定，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’開始登上舞臺。

USB充電器

什么是‘快充’？
本質上，‘快充’就是一種在合理范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。由于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。盡管 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。
但由于 micro USB 接口的限制，超過 2A 的電流很可能會造成損毀的情況，于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’，也就是以較高 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后會有一個降壓過程，此時手機內部會產生熱損耗，導致發熱嚴重。因此，不少采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，由于廠商之間存在競爭關系，因此盡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。
由于 micro USB 接口限制了輸入電流的大小，因此 OPPO 干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，并采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 閃存的好處在于，把充電過程中的發熱組件基本都設置在充電器里，在實現快充的同時手機不至于過熱。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，較快支持 10Gbit/s 傳輸
支持 USB Power Delivery 充電協議，較大可以提供 100W 的電力，并且可雙向供電
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 較典型的應用，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、游戲輸出等功能，讓 Switch 能在掌機和主機之間自由切換。這也是為什么新 MacBook、MacBook Pro 都只采用 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，較高可達‘20V 5A’。
（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，并不是所有采用 USB-C 接口的手機充電器功能都兼容 USB 3.1 標準、采用 PD 充電協議，但根據充電頭網的消息，新標準或將于 12 月份公布，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，采用‘高壓小電流’的快充方案，輸入功率可達 15W，不過電量達到 75% 之后功率會降低到 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后，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，屬于能夠小幅提升充電速度的技巧。
對于采用‘高壓小電流’快充方案的手機，由于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’）后，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，也都是采用類似的原理——通過嚴格地控制手機的功耗，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，卻是較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較快的（不過也有反例存在，華為 P10 就沒有標配快充頭）。
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 以上的充電頭都屬于快充頭。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，雖然都屬于 Quick Charge 的范疇，但充電速度差距明顯。
至于 OPPO 采用的 VOOC 閃充方案，由于定制化程度更高，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。
至于萬年標配 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 388 元和 188 元，也就是你要多花 576 元才能使用 29W 的充電頭。
如果選購 149 元的 12W 的手機充電器，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，可以實現較高 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，又成為制約‘快充’的短板。
得等到什么時候，Android 才能統一快充標準，iPhone 才會標配快充頭呢？

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| 發布時間：2017.11.28 來源：充電器廠家

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