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解决用户低电量焦虑症 新一代手机快速充电技术更趋复杂

智能型手机、平板计算机等行动装置已成为现代人的重要工具,也衍生了有趣的「低电量焦虑症」(low battery anxiety)现象,改善充电效能减少充电等候时间,已成为新一代高阶智能型手机、平板设备的重要卖点。

随着手机智能化程度越来越高,结合如行事历、记事本、通讯软件、社交软件等现代人密集存取浏览的应用服务,让随身智能装置的电池表现性能就成为关键的性能指标,例如电池待机时间愈来愈长、电池容量愈来愈大,甚或支持快速或超快速充电机制能让不足的电力快速补血,继续延续设备服务时间,成消费者为选择智能型手机的重要条件。

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快速充电方案必须搭配专属充电器、充电线材与手机内部电源控制芯片搭配,才能在安全条件下完成快速充电任务。OPPO

快速充电技术发展突飞猛进,透过不同技术方案解决短时间安全完成充电用户刚需。OPPO

新一代快速充电器设计复杂,除讲求高输出电压、电流外,还需要集成主/被动电源安全设计。OPPO

若从众手机大厂发展快速充电技术的产品脉络,可以大致理解快速充电技术的几种走向与未来趋势。若自手机充电原理检视,90年代开始手机厂商将锂电池导入高阶产品中。

锂电池是一种透过化学能转换电力的储能设计,从电池设计上锂电池不管是放电还是充电,均是锂离子于电池里的正极、负极间移动,为电能与化学能转换的持续过程,至于锂电池模块的充电速度或效率,实际就是看锂电池的电能转至化学能的耗时过程,简单说可以是「功率=电流*电压」公式来检视整个转换状态。

快速充电简单理解就是前述功率公式的右边,要想达到快速充电效果,不是加大电流就是提升电压,但实际上基于安全与设备温度考量,并不能无限制的加大输入电流、电压数值,而必须采在材料或设备缺省安全限制条件下的升压或提升电流手段,达到加速充电速度的设计目的。

再者,快速充电系统设计还需考量锂电池本身的材料特性与限制,象是锂电池在过度放电或过度充电,都会对电池储电与放电性能产生影响或损伤,锂电池的充电其实可以分三阶段,一般为恒定电流预充(Constant Current Pre-charge Mode)、大电流恒流充电、恒定电压充电(Constant Voltage Regulation Mode)等程序完成整个充电过程。

理解常规锂电池回头检视高速充电就可以建构高效率的快速充电机制,必定包含专属可因应锂电池特性的充电曲线、电源控制芯片、传输线材甚至专属连接器达到快速充电的设计需求,若是简单提升充电速度直接在大电流恒定电流充电阶段进行充电程序优化,一般也可以获得立即有效的充电效能提升。

若以遵循低倍率充电标准5V 0.2C条件,即充电的施加电压5V、充电电流0.2C,C为电池充 / 放电速率,电池采1C电流充电时为一小时完全充满电的状态,若是2,000mAh电池1C为指采2A进行充电。当然新一代锂电池在持续优化制程,电池可耐受的充电电流、电压与温度也会有更大的弹性,加上低倍率的充电标准已无法满足用户需求,加上持续扩增的电池容量,也让高倍率充电标准成为必要设计方向。

目前快速充电的主流方案主要分高压小电流与低压大电流两大路径发展,基于快充条件的基本设计差异,需要手机设计遵循一整套支持快充的充电解决方案,一般包含电源控制芯片、充电线材与充电器三大条件满足下,才能实现快速充电的效率要求。

如Qualcomm推展的Quick Charge快速充电标准,从早期搭载骁龙600处理器支持Quick Charge 1.0版,电源控制方案为透过提高充电电流进而提升充电效率,让手机可达到5V/2A条件进行充电程序,但在原有Micro-USB连接器对接口的电流限制,必须控制2A输出维持接口限制条件,后继还有透过维持2A搭配提升充电电压的方案,同样也能在限制条件下完成提升充电效能的设计方向。

后继Quick Charge 2.0甚至3.0充电标准,已可达到9V/2A高达18W输出功率进行电池充电,已有显著提升充电效能的产品使用体验。

不让Qualcomm Quick Charge快速充电标准专美于前,行动芯片开发商甚或手机制造商也纷纷尝试发展自家的快速充电方案,例如,Mediatek即发展Pump Express Plus标准,Samsung也发展出Fast Charge技术方案、MEIZU自行发展的mCharge均为类似透过提升电压越过接口电流限制瓶颈的快速充电解决方案。

但实际上采行高电压的速充效益仍会有限制,因为充电器的高电压输入、传至手机内部后也会有个降压的状态过程,此状态会在手机的内部产出热损耗,进而致使智能型手机本体的外壳显得过度发热状态,即便充电过程中产生的温度都在安全范围值内,但仍旧会让用户感到疑虑,少数几款手机解决方案甚至会在手机屏幕开启时限制不运行快速充电,以维持不会让快速充电过程产生的温升加上屏幕运行温度影响用户使用体验,避免手机机身过热问题。

而实际上快速充电的条件,若手机支持选用的方案不同,不同快速充电方案本身也难有集成跟兼容设计,也就是说不同方案是无法达到快速充电条件的,必须使用兼容充电器、要求的电力传输线材与同支持的电源控制芯片,才能启动设备的快速充电条件。

而发展快速充电技术方案,不可不谈OPPO于2014年发布用于Find 7智能型手机的自家「VOOC闪充」快速充电标准,与前述几种快速充电方案实现的方式不同的是,VOOC闪充采用更激进的快速充电实现方案,提出「充电五分钟,通话两小时」的快速充电方案。

VOOC闪充基本快充原理为采用「低电压、大电流」的充电策略,因为前述几种快速充电方案主要受限Micro-USB的最高2A电流限制而发展透过升压方式的速充方案,前述也提过提高充电效能也能藉由提升充电电流改善,而VOOC闪充方案当时提出采定制充电器、定制充电线与手机内部的充电回路针对速充优化改进,搭配在电池采行多线路并行充电手段实现VOOC 闪充能运行5V/4A情境进行电池充电,一举将充电功率提升到20W。

虽然VOOC闪充技术采行订制充电器、充电线与特殊的内部电源回路实现快充,限制其充电技术的使用条件,但实际上整个充电架构也带来一些新方案衍生的好处,例如,VOOC闪充方案把大量发热组件,都产生于订制充电器上,在手机运行VOOC闪充时手机不会有明显过热问题,但VOOC技术方案也有缺点,象是订制线材与变压器因为只能特定机种品牌才能使用,导致配件成本相对较高,整套解决方案的相关成本也较高,OPPO仅将独家VOOC闪充方案放在高阶手机实现。

至于继VOOC闪充方案后,OPPO乘势再推更进一步优化的SuperVOOC快速充电方案,SuperVOOC快速充电使用更激进的手机内部电池架构因应速充需求优化方案,利用串联双电芯来进行同时兼具提升电压、电流的双重优化速充方案,实现更高效率的充电效果

SuperVOOC在2016年MWC展示80W快充方案为采行5V/16A条件运行,但最终因为电流较高没有将此规格商品化,考虑到种种限制问题SuperVOOC快速充电改朝大电压方案进行系统优化,但朝向高电压方案也同样面对手机内的高电压转换热损失问题,为了改善热损失限制而将内部电池结构调整至独特串联双电芯设计。

透过SuperVOOC版Find X手机实做,将内部两组各1700mAh锂电池芯采用串联配置,透过串联分压方式让充电器输出的高电压得以直接施加于串联架构的电芯配置上,由于每个电芯只会分配到充电器的一半电压,自然解决的升压再降压处理的热损失问题,透过高电压搭配串联双电芯架构,SuperVOOC 超级闪充可在安全条件下将充电速度做最大化的优化改进。

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