10年前常見的諾基亞智能機(jī)或MTK功能機(jī)，1000mAh左右的電池足以保證這些手機(jī)一天以上的使用。300-500mA的充電電流足以讓這些手機(jī)以較為合理的速度充電。采用標(biāo)準(zhǔn)的USB供電或者專用線充已經(jīng)能夠滿足這些手機(jī)充電的需求。

 

5年前， Windows Mobile智能機(jī)和早期安卓智能機(jī)，電池容量增加到了1500mAh左右。這時(shí)出現(xiàn)了USB BC1.1協(xié)議，提供了DCP（專用充電端口模式）利用USB的數(shù)據(jù)引腳對充電器進(jìn)行識別和區(qū)分，從而將標(biāo)準(zhǔn)USB端口的500mA電流擴(kuò)展到1.5A，滿足了這些設(shè)備的充電需求。

 

時(shí)代在變遷，大屏幕的智能手機(jī)的耗電達(dá)到了一個(gè)新的高度。人對于手機(jī)的依賴程度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了10年前。如今，手機(jī)已經(jīng)成為人與世界溝通（包括但不限于上網(wǎng)、通話），與自己內(nèi)心溝通（包括游戲等）的工具。手機(jī)實(shí)際使用的時(shí)間比率大大提高了。這對手機(jī)電池能量提出了極高的要求。同時(shí)手機(jī)設(shè)計(jì)趨向輕薄，不支持快速更換電池，能量輸入完全依賴充電、數(shù)據(jù)端口來進(jìn)行。

 

然而，手機(jī)的充電端口大小非但沒有任何增加，反而朝著不斷微型化的方向發(fā)展。端口電接觸面積的減小，隨之而來的是接觸電阻的增加和散熱能力的下降，這使得端口能夠通過的電流降低。

 

端口的輸入功率=輸入電壓 x 輸入電流。由此可知，端口電流容量降低與端口輸入功率的提高之間的矛盾，可以通過提高端口輸入電壓來解決，這就是高通QC2.0/3.0 HVDCP（高電壓專用充電端口）誕生的初衷。值得一提的是，USB 3.1 PD和MTK PUMPEXPRESS PLUS也運(yùn)用了同樣的解決方法。

 

 

在談及QC快充的硬件實(shí)現(xiàn)之前，我想提一提我前一段時(shí)間在網(wǎng)上看到的關(guān)于QC快充的評論。有不少文章有這么一個(gè)說法：QC所采用的高電壓充電對于手機(jī)電池有害。在我看來，這種說法的存在正是由于對手機(jī)內(nèi)電路如何完成電池充電過程的不了解造成的。因此，下面的這個(gè)部分不僅介紹QC如何由硬件實(shí)現(xiàn)，也介紹其他手機(jī)如何完成電池充電。

 

手機(jī)機(jī)內(nèi)的電池充電電路，按功能可以分為兩個(gè)部分加以介紹（但不代表這兩個(gè)部分在物理上是分離的，事實(shí)上，兩個(gè)電路常在同一個(gè)集成電路中實(shí)現(xiàn)）。

 

 

負(fù)責(zé)監(jiān)測電池充電的關(guān)鍵參數(shù)（例如電池充電電流、電池當(dāng)前電壓、電池溫度），根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的電池充電算法，調(diào)節(jié)如充電電流等參數(shù)，或者關(guān)斷充電。手機(jī)充電電路的測量和反饋控制部分，通常可以通過軟件編程來調(diào)節(jié)某些參數(shù)。甚至有些手機(jī)充電的測量、反饋控制部分大部分功能都是由軟件來完成。大多數(shù)手機(jī)對鋰電池充電的控制算法都是基于恒流——恒壓過程或者其變種。恒流恒壓充電的過程，大體上是這樣的，首先在電池低于其充電限制電壓（以往手機(jī)是4.2v，現(xiàn)在常見4.35V，偶見4.40V）時(shí)，以一個(gè)恒定電流對電池充電。

 

這個(gè)恒定電流的大小與電池容量的比值（稱為充電電流倍率）與手機(jī)電池充電速度關(guān)系密切。要提高手機(jī)的充電速度，提高充電電流倍率是一個(gè)有效的手段。但是手機(jī)電池對充電電流倍率的接受能力有限，過大的充電電流倍率會導(dǎo)致手機(jī)電池的循環(huán)衰減增加，甚至有可能導(dǎo)致電池安全問題。目前大多數(shù)手機(jī)電池可以接受0.5-1倍的充電電流倍率。比如對3000mAh的手機(jī)電池，0.5-1倍的充電電流倍率就對應(yīng)著1500mA-3000mA的充電電流。通過優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)和配方，可以讓電池接受更大的充電電流倍率。就目前的情況來看，手機(jī)電池的充電電流倍率上限通常不是手機(jī)充電速度的瓶頸。

 

當(dāng)電池通過恒定電流充電達(dá)到電池的充電限制電壓后，通過逐漸減小充電電流來維持這個(gè)充電限制電壓不變。因?yàn)殇囯x子電池電壓除了隨電池充滿度提高而上升外，充電電流越大，電池的電壓也越高，因此在充滿度不斷提高的情況下，減小充電電流可以讓電池電壓維持恒定，這就是恒壓過程。當(dāng)充電電流減小到預(yù)定值后，充電電流會關(guān)斷，充電即告完成。

 

 

這部分電路的功能是將從手機(jī)充電端口得到的電能，在測量、反饋控制部分的控制下，轉(zhuǎn)換為電池的充電電流。由于手機(jī)充電端口輸入的電壓通常是5V、9V之類的電壓，與電池電壓（3.0V-4.35V，隨電量和充電電流發(fā)生變化）并不匹配，因此需要進(jìn)行變換。正是由于這個(gè)變換過程，高電壓充電影響電池壽命這個(gè)說法才是非?；闹嚨摹Ｒ?yàn)闆Q定手機(jī)電池充電電壓、電流的是測量、反饋控制部分預(yù)先設(shè)定好的充電程序。輸入電壓高一點(diǎn)或者低一點(diǎn)，只要還在電壓電流變換部分允許的范圍內(nèi)，都會由電壓電流變換部分變換成程序設(shè)定好的值。

 

 

 

其實(shí)質(zhì)，是一個(gè)由測量、反饋控制部分調(diào)控的可變電阻。通過電阻將充電器電壓高于電池電壓的部分，通過發(fā)熱的形式消耗掉。舉例說明，比如當(dāng)充電端口輸入的電壓是5V，電池電壓是3.7V，需要1000mA的充電電流。那么讓可變電阻的阻值剛好為1.3Ω即可滿足。這個(gè)可變電阻的阻值只要能夠不斷變化，就能夠完成恒流恒壓的全過程。由基爾霍夫定律可知，這個(gè)電路的輸入電流等于輸出電流。因此，提高輸入電壓對于這個(gè)電路來說，只會使更多的輸入功率通過電阻耗散掉，而不會提高電池的充電功率。此外，這個(gè)電路的發(fā)熱功率是（輸入電壓－電池電壓）×充電電流。當(dāng)充電電流很大的時(shí)候，發(fā)熱功率也很大。因此，這種電路不適用于現(xiàn)在需要大電流充電且空間有限的手機(jī)充電。 這也就是高壓快充發(fā)熱大，部分手機(jī)廠商開始采用低壓大電流快充的原因。

線性變換電路

 

 

這種電路的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。利用高速開關(guān)的S1（通常由MOSFET來實(shí)現(xiàn)）和電感來使輸入電壓降低到電池電壓。并在測量、反饋控制部分調(diào)控下控制充電電流。這個(gè)電路的輸出電流和電壓與輸入電流和電壓的關(guān)系可以能量守恒定律求得：輸入電壓×輸入電流×效率=輸出電壓×輸出電流。現(xiàn)在新型手機(jī)中，這個(gè)效率可以達(dá)到90%以上。正是利用了這種開關(guān)變換電路，QC2.0能將輸入的高電壓和較小的電流轉(zhuǎn)換為電池的電壓和較大的充電電流。

開關(guān)變換電路

 

舉例說明：電池電壓為3.7V。需要2A電池充電電流。充電電路效率90%，忽略其他電阻造成的壓降。輸入端口電壓為9.0V，則輸入端口通過的電流需要：3.7V*2.0A/90%/9.0V=0.91A，可見QC快充通過提高輸入電壓確實(shí)能夠有效降低輸入端口的電流。

 

 

這種電路可見于早期的小靈通、摩托羅拉某些型號智能機(jī)中。Oppo的VOOC超快充電也可能采用了這種設(shè)計(jì)。其原理是將恒流電路置于專用的恒流充電器中而非手機(jī)內(nèi)。手機(jī)內(nèi)僅有控制電路通斷的電子開關(guān)（MOSFET）。當(dāng)開關(guān)接通后，充電器直接與電池連接，依靠充電器中電路來調(diào)節(jié)輸出電壓和控制充電電流。當(dāng)然，充滿停充的功能由手機(jī)內(nèi)部電路控制電子開關(guān)完成。這么做的優(yōu)點(diǎn)在于手機(jī)內(nèi)電路較為簡單，且不需要在手機(jī)內(nèi)部發(fā)熱消耗多余的電壓。缺點(diǎn)是需要專用充電器。（當(dāng)年MOTO采用這種設(shè)計(jì)的智能機(jī)若是改用較大電流的USB充電器，就會燒壞內(nèi)部電子開關(guān)，造成手機(jī)故障）

 

 

QC 快充的充電器與手機(jī)通過micro USB接口中間兩線（D+D-）上加載電壓來進(jìn)行通訊，調(diào)節(jié)QC的輸出電壓。握手過程如下：當(dāng)將充電器端通過數(shù)據(jù)線連到手機(jī)上時(shí)，充電器默認(rèn)通過MOS讓D+D-短接，手機(jī)端探測到充電器類型為DCP（專用充電端口模式）。此時(shí)輸出電壓為5V，手機(jī)正常充電。 若手機(jī)支持QC2.0快速充電協(xié)議，則Android用戶空間的hvdcp進(jìn)程將會啟動，開始在D+上加載0.325V的電壓。當(dāng)這個(gè)電壓維持1.25s后，充電器將斷開D+和D-的短接， D-上的電壓將會下降；手機(jī)端檢測到D-上的電壓下降后，hvdcp讀取/sys/class/power_supply/usb/voltage_max的值，如果是9000000（mV），設(shè)置D+上的電壓為3.3V，D-上 的電壓為0.6V，充電器輸出9v電壓。若為5000000（mV）設(shè)置D+為0.6V，D-為0V，充電器輸出5V電壓。

 

 

這里我們使用的是USB表，直觀測試QC2.0充電器電壓識別改變過程。插入U(xiǎn)SB接口可以檢測到用于偵測QC2.0信號的D+ D-電壓，同時(shí)還能顯示輸入輸出的電壓、電流。內(nèi)置庫侖計(jì)，精度可達(dá)萬用表級別。

開機(jī)通電，插手機(jī)之前：DCP模式，只不過有下拉電阻存在所以電壓比較低，但兩路電壓基本相同。

開機(jī)通電，插手機(jī)之前為DCP模式

 

插入手機(jī)后的一瞬間，手機(jī)會在D+上加0.6V的檢測電壓，因?yàn)榇藭r(shí)D+D-短路的所以D-電壓也跟隨變高。

插入手機(jī)一瞬間

 

D+上的申請電壓維持超過1.25秒后，充電器會把D+和D-的短路斷開，D-變成0，D+還是手機(jī)給的識別電壓。

D+、D-斷開

 

手機(jī)檢測到D-變成0，說明充電器支持QC2.0，發(fā)送改變電壓的申請。

D-變?yōu)?，電壓升高

 

至于充電器輸出多少電壓給手機(jī)，參看這個(gè)表格。需要留意的是，所有0.6V代表0.325-2.000V ，所有3.3V代表大于2.000V，在此范圍內(nèi)即可正確申請QC2.0握手協(xié)議。