快速充电技术 提升充电效能亦需关注设备安全
- DIGITIMES企划
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随着智能手机、平板电脑的效能越来越强、整合功能日趋丰富，智能移动设备在轻薄化设计方向下电池效能也备受考验，为提升用户体验，新一代快速充电功能也成为智能设备的重要卖点。
快速充电技术发展迅速，自Qualcomm与MTK等移动运算芯片大厂、纷纷与PMIC供应商合作，分别推出Quick Charge 2.0和Pump Express快速充电方案扩张应用市场，德州仪器2015年也推出了自有Fast Charging专利快速充电通讯协定，以更高的设计弹性与进阶锂电池效能控制，抢食快速充电应用商机。
手机耗电量增加 搭载大容量电池已成常态
尤其是智能手机大厂越来越重视电源管理的相关功能，在智能手机纷纷以追逐大尺寸屏幕、高效能运算核心等重点功能升级，随之而来的亟待改善的电池效能优化、设计限制困境突破，就成为各家智能手机大厂产品差异化与市场区隔的重要诉求，加上为了增智能产品的电池续航力，智能手机、平板也纷纷搭载4,000mAh甚至是6,000mAh高容量锂电池，充电效能差距即直接影响用户使用设备的体验。
目前，业界对智能手机或平板电脑的快速充电定义，检视业界速充应用规格，可以大致分为将功率提升至15W或20W以上、能在30分钟内完成内建电池0至80%电池电量称之，在1.5小时内完成电池100%容量，接着再进行各家快充方案做法与效果，也能理解不同技术方案的差异。
手持装置快速充电技术需求殷切
Qualcomm的Quick Charge技术，是业界较早推出快充平台的解决方案，发展至Quick Charge 3.0已能支持0至80%充电仅需耗用35分钟的急速充电效率，一般常规未支持Quick Charge的移动平台，要充电至80%至少需要耗费1.5小时。Quick Charge 3.0为运用最佳电压智能协商(INOV)演算法的快速充电技术，INOV可在移动设备上自行判断最合适充电功率等级进行装置充电，将能源转换的效率极大化，Quick Charge 3.0较前代QC技术提升38%充电效能，同时搭配额外保护机制延长电池寿命，若能与并联充电模块搭配整合，充电效能还可再提升，目前可搭配新一代Snapdragon SoC平台整合使用。
若以Quick Charge 2.0和Pump Express快速充电方案检视，这两种快充技术必须搭配对应的SoC处理器与配套PMIC组合，虽然略为限制其系统设计弹性，但对于智能设备若已选用对应的SoC，也能以最快的方式、最少的开发资源，在新产品导入快速充电方案，而对于德州仪器主推的Fast Charging专利快速充电通讯协定，则未限制处理器架构，提供更弹性的电池管理设计空间，系统厂可以运用分离式设计导入智能手机或平板电脑设计中，同时，设备本身也能针对锂电池安全控制、耐高电压、动态功率控制等提供更多设计弹性，开发更独特的电池速充系统。
手机业者自行开发独特闪充技术回应市场需求
除市场上的Quick Charge 2.0、Pump Express与Fast Charging速充技术外，也有业者选择自行开发独特的快速充电方案，如大陆智能手机业者oppo的VOOC闪充快速充电方案，即标榜可让用户在30分钟内将手机电池充满至75%电量水准，急速充电模式可在5V/5A条件下进行大电流充电，搭配VOOC充电器、特殊规格充电线、主机板、电池，始能实践仅耗30分钟即能将电池自0%充电至75%的快速充电设计目标。
原有的移动设备充电技术，其实会产生充电速度体验不佳的肇因在于，当设备所搭载的电池容量不断提升，而装置为了求设计薄化、产品设计美观，大多趋向使用一体成形的机构而非选择可拆换式电池设计，在电池增、充电回路仍仅限使用USB界面传输的结果，即用户为电子设备进行充电耗费的时间也就越来越长。
USB PD电力传输规范 最高可将电力传输增达100W
而电子设备系统效能肯定是会越来越高、搭载的电池越换越大是不可回避的趋势，为了改善设备的充电使用体验，势必要从充电电力的来源着手才能竟其功，在充电界面方面，以USB界面2.0规格充电应用大多仅能用到2.5W(5V/500mA)电力供应，而USB 3.0界面提升至4.5W(5V/900mA)，虽有将近一倍的输出提升，但实际上因应电池动辄2500mAh以上的移动设备仍显得缓不济急。针对USB界面的电力传输应用优化，自USB BC(Battery Charging) 1.2增至7.5W(5V/1.5A)输出，甚至在USB PD(Power Delivery)下甚至可以达到100W输出水准。
若针对移动设备的快速充电要求，在顾及设备的回溯兼容性，固定充电电压、提高速充模式下的充电电流，似乎是个合宜的解决方案(如oppo的VOOC闪充技术方案即是以此概念实践快速充电应用)，但实际上在5V变压器上提升输出电流、进而提升充电功率，其实必须追加特殊的线路与零组件，尤其是2A以上电流需使用特殊连接器，同时也增加了系统成本，对于充电传输线材增长所导致的阻抗增加，线材也容易出现电压差造成充电效能不如预期。
在安全范围内最大化充电效能 成为快充技术开发重点
也因此，主流快速充电技术多半朝提升电流、电压两方面着手，尤其在电压提升方面会较提升充电电流为佳，例如TI的MaxCharge方案最高可以将充电电压提升至14V，MediaTek的Pump Express Plus在充电电压可提升至12V，Qualcomm的Quick Charge技术，在QC 3.0版本可以以200mV的增量将充电线路的电压逐步提升至20V水准，以达到在安全范围内的充电效能最大化提升。
在前述设计限制之下，电池系统若因应快速充电需要高达10W~15W的充电功率时，快速充电系统可以因应需求转而提升输出电压至9V/12V甚至20V水准，而在相同的电源应用条件下，采较高电压的充电器所需的输入电流相对较低、输入电压空间较大，因此也满足电池电压的快速充电需求，但比较可惜的是采用较高电压变压器进行快速充电应用支持，在充电器回溯兼容性相对较差，若用户以旧有仅支持5V的设备接入进行充电，可能会因为电力过电压启动线路保护措施，导致设备无法正常充电、甚至造成设备损坏。
然而，因应快速充电的使用需求，尤其是USB界面基于电力传送(Power Delivery；PD)需求，也有新式的混合常规变压器使用需求与整合高电压输出的速充需求设计推出，新一代混合式充电器设计在设备追加更多输出模态转换设计，如透过变压器内置的MCU与系统控制器交换信息，进行快速充电电力输出需求确认，原本变压器初始电压仍为常规5V/2A输出，当确认系统可进行对应的快速充电程序时，即将输出电压逐步自5V/9V/12V甚至20V步进调高输出电压，以达到快速充电的基本要求。
提升充电效能 亦需关注电池与系统安全性
然而，透过输入电压/电流提升建立的快速充电技术基础，基本上提升充电功率连带也会产生电池的安全疑虑，例如，充电器过电流、过电压输入，或是电池进行快速充电导致元件高热问题，此时，为确保充电过程严密追踪充电处于安全状况之中，充电器与移动设备系统间仍须透过演算法或信息传递随时掌握快速充电系统状态，当系统出现安全疑虑时可随时将快速充电模式转至常规充电模式，甚至直接关闭输入电源维持系统安全。
对于支持快速充电的移动设备，由于对电池的充电操作以最大程度地提升充电效能，必然须对电池增大输入功率，电池也会因此导致寿命与储电性能缩减，理论上若搭配移动设备系统监控、PMIC电池安全与管理，同时搭配充电器AC/DC使用安全掌控，虽可达到在可控条件下尽可能提升充电效能的设计目标，但设备的充电安全设计仍是移动设备的首要考量。
以现行需绑定SoC的快速充电方案、或是采分离式架构的快速充电协定、甚或是厂商自行架构的快速充电系统，其设计均必须针对电池元件进行更进阶的控制与监测，同时在设备端、充电器端针对过电压、过电流、温度安全保护等进行进阶管理，搭配充电模型或是充电演算法智能调校充电功率，以达到在进行快速充电的同时亦能有效确保电池效能表现不至于过度耗损，确保电池的使用周期与安全性表现。
