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[科技] 手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？

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慕子 发表于 2024-8-20 14:39:54 | 只看该作者 打印 上一主题 下一主题
 
文章开篇之前，先问大家一个问题，大家平常有留意过自己手机的充电功率吗？
曾经用过前几代苹果手机的朋友们，你们还记得原来“五福一安保平安”的故事吗？
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第1张图片

之所以会跟大家聊这一点,是因为就在昨天真我手机发布了它们最新的快充技术。
充电功率已经来到了惊人的320瓦，充满一台4400毫安的手机只用了4分20秒，直接给我身边的一位果粉看破防了。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第2张图片



手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第3张图片

明明是两台同时代的手机，一个30瓦，一个300瓦，充电功率相差10倍，要不是智子还没有出现的迹象，我都要以为我们中国厂商突然间获得了三体科技呢。
不过从早期的“五福一安”（5瓦），到如今的30瓦，300瓦，看上去似乎仅仅只是数字的增加，但是快充技术发展的背后其实还存在着很多有意思的技术和故事。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第4张图片







充电技术的发展史


其实如果我们把充电过程简化一下的话，手机充电完全可以类比给水桶灌水，想要提升水灌满的速度无非就是两种方法，一个是加粗水管，一个是加快水流速度。


手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第5张图片

那么回到充电上，加粗水管就好比提升电流，加快流速就好比提升电压，套用我们初中就学过的公式“功率=电压*电流”，大家可以发现电压、电流无论提升那一个充电功率都会提升。
但是由于目前材料与工艺的限制，盲目地提升电压与电流往往会造成设备损坏，所以目前大多数具备快充功能的手机往往都会要求“专线专用”。
只有当充电器与手机的充电协议匹配上的时候，才允许使用快充，如果无法匹配则一律采用最低标准来进行充电，以避免发生事故。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第6张图片

如果大家还对早期的手机有印象的话，应该会记得这种圆形DC插头。
这个玩意一般是专门用来做供电用的，因为插头部分只有用于供电的正极和负极，无法传输数据，所以它的电压与电流往往是在出厂前就已经规定好了的。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第7张图片

但就和现在的手机充电各种规格鱼龙混杂一样，那个时候的充电器差不多也是专线专用，而且因为无法传输数据，也就没法握手充电协议，所以这种插头一旦混用，很容易就会出现因电压或电流过高导致的设备损坏问题。
为了解决这一点，USB协会出面规定了统一的充电规范，即标准电压为5伏，最大充电电流为0.5安，总计2.5W的功率。
随着智能手机的逐渐普及，大量手机都因为数据传输的需要而换装了micro USB接口（也就是那种老式的安卓头），手机充电市场就此得到过一段短暂的统一。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第8张图片

当然了，这个统一指的是当时的安卓与WindowsPhone等手机，那会苹果已经发布了lightning接口，用上了五伏一安的5瓦充电功率。
是的没错，没想到吧，被各位诟病多年的苹果“五伏一安”在那个时代其实还是正儿八经的“快充”！
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第9张图片

不过后来随着智能手机性能一日千里的大跨步发展，USB协会很快就意识到了先前的功率已经跟不上新时代的步伐，所以它们在新的标准中额外增加了BC充电协议，在与设备成功握手后，可触发5伏1.5安最快7.5w的充电功率。
但这个功率还是有一部人觉得不够，于是就在不久后，高通发布了自家的QC1.0协议，进一步把功率拉高到了5伏2安，10瓦的充电功率成为了智能手机新的标准。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第10张图片






大电流与大电压方案的分流


从前面的描述中大家其实可以发现，先前的快充技术发展其实一直遵循的都是加大电流的方式，那么为什么从来人想过加大电压呢？
这是因为我们的手机在使用电池供电时，锂电池的额定电压就是4.4或4.5伏左右。
如果大家还保有先前的可拆卸手机电池，或者有拆解过自己的手机的话，应该都能在电池上找到相应的标识，而充电器为了要实现给手机充电，势必要存在一定的电压差，这时候和4.5最接近的5伏自然就成了最好的选择。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第11张图片

但是一味的增加电流也总归会有一个极限，而对于Micro USB来说，2安就是这个极限，一旦电流超过2安，那么手机就会存在过载风险。
而对此高通给出的方法是，通过在手机内增加一个BUCK降压电路的方式让手机来适应更大的电压。
就这样高通在保持2安电流不变的前提下，把充电电压提升到了9伏，实现了18w的快充，这也就是高通的QC2.0。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第12张图片

简易的BUCK降压电路
BUCK降压电路的逻辑其实并没有多复杂，它里面最为核心的一个元器件就是电感。
电感的特性是不允许电流突变，所以当我们给电感加压供电时，电流会从0安逐渐开始上升，而当供电断开时，由于电感的存在，电流也不会突然消失，而是从峰值电流逐步减小到0，利用这个特性，我们就可以通过控制电路的接通、断开的时间来实现电压的降低了。
简单一点说就是当我们给电感通电时，电流会逐步地上升，而因为负载是不变的，所以电流上升的同时负载电压也会逐步上升，当负载电压上升到6伏时，我们断开电路，受电感影响，此时电压会逐步下降，当电压下降到4伏时，我们再重新接通电路让电压上升。
如此这般循环。只要保证电路以一个稳定的周期接通和关闭，这样我们就能得到一个由9伏降压到5伏的电压了。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第13张图片

以上过程循环往复
不过这个别看这个降压电路实现起来很轻松，但它有一点不好，就是会有损耗。
虽然输入侧的9伏2安，经由它转变成了5伏3.6安，但实际上因为损耗的存在，有不少电量实际上以发热的形式被发散掉了，所以实际充进来的电比理论上的要少。
而且因为手机屏幕在点亮时也会发热，要防止过热就会进一步影响大电压模式的充电效率，以前很多人觉得边玩手机边充电速度很慢就是这个原因。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第14张图片

看到这里，有些朋友可能会说，既然降压电路放在手机里会因发热产生损耗，那么直接把它放在充电头不好吗？
哎，还记得我们前面提到的Micro USB的电流极限吗？降压之后的3.6安的电流已经超过了Micro USB的最大安全电流，这样使用会有安全风险的。不过如果要是魔改一下Micro USB接口，再加粗一下电缆，大电流方案也不是不行。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第15张图片

这个方案的代表就是大家熟知的喊出“充电5分钟，通话2小时”的OPPO了，如果有用过早期OPPO快充手机的朋友应该还记得，它们当时采用了比常规Micro USB更宽的接口，在原本5伏2安的基础上又新增了一条5伏2安的供电引线，通过这样的方式实现了5伏4安，20瓦的充电效率。
这种快充方式虽然存在“专线专用”的缺点，但因为没有BUCK电路的困扰，充电时手机相对发热并不明显，而且亮屏息屏对充电速度也基本不会造成影响，从使用体验角度来说，我个人觉得是比大电压方案要好的。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第16张图片

如果说Micro USB时代，限制充电效率的是接口与线材，那么到了type-c时代，我个人感觉，唯一能限制充电速度的恐怕就是人类的想象力了。从27瓦，到100瓦，再到200瓦，300瓦，如果不是因为苹果还在，我都要以为人类突然获得了外星科技了呢。
开个玩笑。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第17张图片



其实在刚刚换装type-c接口的那个时期，当时的快充并没有什么技术上的革新，只不过是因为接口规格的提升，从而连带着充电功率也有了相应增加。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第18张图片

高通的9伏2安方案，因为电流限制的放开，从而把电流从2安提升到了3安，功率来到了27瓦，而以OPPO为代表的5伏4安大电流方案，也因为type-c的普及使得电流得以进一步上升，来到了5伏6安，30瓦的充电功率。
其实按照type-c的规格，做到100瓦甚至200瓦以上都是可以的，只不过当充电功率上升到如此高的时候，BUCK降压电路的损耗也会水涨船高到一个相当离谱的水平，同时受限于线材和电池内阻的困扰，高电流方向也同样进展缓慢。
所以很长一段时间，快充的极限速度都一直只能保持在30瓦以下，直到电荷泵技术的出现，才终于打破了这一僵局。



超高功率时代的到来


与BUCK降压电路不同，电荷泵的核心元器件不是电感而是电容，这两个元器件的性质刚好是对应的，电感我们前面说过了是不允许电流突变，而电容则是不允许电压突变，所以当我们给它输入一个固定的电压时，它会从零逐渐提升到给定的数值，而当电路断开时，同样的，它的电压也不会突然消失，而是逐步降低直至电压为零。
正因为电容有着这样的特性，通过周期性地给它充电和放电，手机就能很轻易地在承受能力不变的前提下接受更高的充电电压，从而提升充电功率。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第19张图片

简易的电荷泵电路图
通过上面这张简易的电荷泵电路图，大家可以看到，电荷泵的工作原理其实也并没有多复杂，它的整个运行逻辑，主要是通过电路中的几个开关来控制电路的当中的电源在外部供电和电容之间切换，原理我们可以简化成下面这样：
假设我们通过调整开关，使用10伏电压的充电器给手机供电，在电路刚刚接通的瞬间，电容C的电压为0，负载电压为10伏。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第20张图片

而随着时间的推移，因为电容的固有特性，电容C的电压会逐渐上升，而因为电容与负载是串联的关系，当电容电压上升时，对应的负载电压也随之下降，当电容电容上升到6伏时，此时负载电压已经下降到了4伏。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第21张图片

这时候我们再通过开关断开外部电源，由于电容的特性，此时它会从充电转变成放电状态，于是在于负载形成的新电路中，电容变成了新电路中的电源，此时负载电压也就变成了电容电压相同的6伏。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第22张图片

随后由于失去了外部输入电源，电容电压会逐步减小，于此同时负载的电压也同步减小。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第23张图片

当电路电压减小到4伏时，我们再重新调整开关，连接上外部电源，此时负载电压会上升到6伏并随着电容电压的逐步提升而减小。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第24张图片

当电容和负载电压又再次变回6伏与4伏时，再次断开电路。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第25张图片

如此这边循环往复，借助电容这个元器件我们就成功地把输入端的10伏高电压转化成了负载端的5伏低电压。
当然了，前面说的这个只是电荷泵的简易原理，实际的应用在我们手机端的电荷泵还需要搭配相关的电源管理芯片来进行精细化的调整。
相比于前面提到的BUCK降压电路，因为它独特的工作特性，使得它的能耗损失降低了非常多，目前市面上的主流手机几乎都可以做到98%到99%的充电效率。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第26张图片

红米发布的300瓦快充架构
不过单单只有一个电荷泵还不够，让现在手机充电效率提升这么多的，还有另外一项不可或缺的技术，多电芯。
其实早在智能手机时代之前，那个时候的大部分手机其实大多采用的是多电芯的镍氢镍镉电池，只不过随着后面手机逐渐朝着大屏幕和轻量化的趋势发展之后，能量密度更高的单节锂电池逐步成为了主流。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第27张图片

早期的镍氢镍镉电池
单电芯的优点有很多，包括容量大、充放电链路简单，不用考虑电芯一致性等等，但唯独有一点它做不好，就是充电速度的上限太低了。
而多电芯，因为采用多个电池串联的电池组设计，使得采取这种方案的手机天生的满电电压就比单电芯更高。
我们以双电芯手机为例，传统的单电芯电池电压我们前面说过，一般在4.4到4.5伏，而串联双电芯电压翻倍直接来到的9伏，也就是说在相同的安全电流下，双电芯可承受的电压天生就比单电芯要多一倍，有了它再叠加前面的电荷泵技术，以及现在更加先进、承受能力更强的电池和线材，智能手机充电功率能有如此大幅的提升也就不足为奇了。
像是我们开头部分提到的真我发布的320瓦快充，就是用到了四电芯的设计，对比单电芯，从功率上提升了足足4倍。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第28张图片

不过呢，有得必有失，多电芯技术自然也不是一点缺点都没有的。
首先一点就是因为多块电池串联的结构，导致它的空间利用率不如单电芯方案，而现代的智能手机又不能做的太重太厚，这就使得采用这种技术的手机一般电池容量都比较低，像是前面真我展示的这款手机，它的电池容量就只有4400毫安。
也就是说，这种多电芯的手机，只要4分多钟就能充满，但是充满不太可能坚持得了一天；而单电芯手机可能会充满速度会慢一些，比如需要15分钟才能充满，但内置的大容量电芯，续航时间更长，或许能坚持一天不需要充电。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第29张图片

另一方面，多电芯方案的内部复杂结构对于厂商们来说也是一个不大不小的难题。
其一，因为串联导致手机放电状态下的电压过高，难以为手机直接供电，采用多电芯方案的手机通常还需要再使用一颗分压芯片来把电压减半后再为手机的其他零部件供电；再有就是，由于充电和放电都需要多块电芯共同工作，电芯的一致性需要高度接近，电池的充放电健康管理也更加严格。
从目前的市场反馈情况看，多电芯和单电芯都有各自独特的优势与缺陷，大部分主流品牌的手机产品线其实都是两种类型共存的。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第30张图片



要我说大家其实也不必纠结手机用的什么电池，随着电池材料学和电荷泵芯片等技术的进步，充电技术每年都在飞速发展，其最终的目的就是为了给大家带来更高的电池使用体验。
回想前几年，续航焦虑几乎已经快成为根植在现代人脑海深处的思想钢印了，不知道大家平常怎么样，反正我自己的话，出远门是一定会带上充电宝的。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第31张图片



不过现在嘛，随着快充技术的普及，现在手机的充电体验，几乎已经快要赶上原来可更换电池的时代了。
早上上班发现手机没电？只需要短短几分钟洗漱的功夫就能恢复满血；
游戏耗电快，边冲边玩不舒服？只需要在两局游戏之间短短间隙里小冲一下，没一会就可以脱离充电器，继续愉快地玩耍了。
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第32张图片



作为一名消费者，我很高兴看到有如此多的手机厂商愿意下功夫去提升手机充电功率，愿意不断尝试创新，愿意不断的把最新，最先进的技术量产出来让我们能够享受到科技进步带来的快乐。
当然了，如果更快的充电速度，能够让那些在技术层面停滞不前，总是用诸如环保之类的理由敷衍消费者的厂商们产生危机感就更好了，你们说对不？
手机充电都干到320瓦了？为啥我的手机还是只能“五福一安”？ 第33张图片

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沙发
远射一脚 发表于 2024-8-20 15:24:15 | 只看该作者
 
写的很好通俗易懂[点赞][点赞][点赞]
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板凳
九头喵咪 发表于 2024-8-20 16:15:03 | 只看该作者
 
没啥意义的事还不如换回原来的电池可更换
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