快速充電是怎么實現的？
2017-4-24 10:30:14??????點擊：
快速充電器原理淺析
QC所采用的高電壓充電對于手機電池有害。在我看來，這種說法的存在正是由于對手機內電路如何完成電池充電過程的不了解造成的。因此，下面的這個部分不僅介紹QC如何由硬件實現，也介紹其他手機如何完成電池充電。
手機機內的電池充電電路，按功能可以分為兩個部分加以介紹（但不代表這兩個部分在物理上是分離的，事實上，兩個電路常在同一個集成電路中實現）。
1、測量-反饋控制部分
負責監測電池充電的關鍵參數（例如電池充電電流、電池當前電壓、電池溫度），根據預先設定好的電池充電算法，調節如充電電流等參數，或者關斷充電。手機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節某些參數。甚至有些手機充電的測量、反饋控制部分大部分功能都是由軟件來完成。大多數手機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（以往手機是4.2v，現在常見4.35V，偶見4.40V）時，以一個恒定電流對電池充電。
這個恒定電流的大小與電池容量的比值（稱為充電電流倍率）與手機電池充電速度關系密切。要提高手機的充電速度，提高充電電流倍率是一個有效的手段。但是手機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致手機電池的循環衰減增加，甚至有可能導致電池安全問題。目前大多數手機電池可以接受0.5-1倍的充電電流倍率。比如對3000mAh的手機電池，0.5-1倍的充電電流倍率就對應著1500mA-3000mA的充電電流。通過優化電池結構和配方，可以讓電池接受更大的充電電流倍率。就目前的情況來看，手機電池的充電電流倍率上限通常不是手機充電速度的瓶頸。
當電池通過恒定電流充電達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充電限制電壓不變。因為鋰離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。當充電電流減小到預定值后，充電電流會關斷，充電即告完成。
2、電壓電流變換部分
這部分電路的功能是將從手機充電端口得到的電能，在測量、反饋控制部分的控制下，轉換為電池的充電電流。由于手機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生變化）并不匹配，因此需要進行變換。正是由于這個變換過程，高電壓充電影響電池壽命這個說法才是非常荒謬的。因為決定手機電池充電電壓、電流的是測量、反饋控制部分預先設定好的充電程序。輸入電壓高一點或者低一點，只要還在電壓電流變換部分允許的范圍內，都會由電壓電流變換部分變換成程序設定好的值。
電壓電流變換電路的類型，有以下三種：
（1）線性變換電路。
其實質，是一個由測量、反饋控制部分調控的可變電阻。通過電阻將充電器電壓高于電池電壓的部分，通過發熱的形式消耗掉。舉例說明，比如當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，這個電路的發熱功率是（輸入電壓－電池電壓）×充電電流。當充電電流很大的時候，發熱功率也很大。因此，這種電路不適用于現在需要大電流充電且空間有限的手機充電。 這也就是高壓快充發熱大，部分手機廠商開始采用低壓大電流快充的原因。
線性變換電路
（2）開關變換電路。
這種電路的結構圖如下圖所示。利用高速開關的S1（通常由MOSFET來實現）和電感來使輸入電壓降低到電池電壓。并在測量、反饋控制部分調控下控制充電電流。這個電路的輸出電流和電壓與輸入電流和電壓的關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。現在新型手機中，這個效率可以達到90%以上。正是利用了這種開關變換電路，QC2.0能將輸入的高電壓和較小的電流轉換為電池的電壓和較大的充電電流。
開關變換電路
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能夠有效降低輸入端口的電流。
（3）將恒流電路置于專用快速充電機的設計
這種電路可見于早期的小靈通、摩托羅拉某些型號智能機中。Oppo的VOOC超快充電也可能采用了這種設計。其原理是將恒流電路置于專用的恒流充電器中而非手機內。手機內僅有控制電路通斷的電子開關（MOSFET）。當開關接通后，充電器直接與電池連接，依靠充電器中電路來調節輸出電壓和控制充電電流。當然，充滿停充的功能由手機內部電路控制電子開關完成。這么做的優點在于手機內電路較為簡單，且不需要在手機內部發熱消耗多余的電壓。缺點是需要專用充電器。（當年MOTO采用這種設計的智能機若是改用較大電流的USB充電器，就會燒壞內部電子開關，造成手機故障）
3、高通QC 握手協議
QC 快充的充電器與手機通過micro USB接口中間兩線（D+D-）上加載電壓來進行通訊，調節QC的輸出電壓。握手過程如下：當將充電器端通過數據線連到手機上時，充電器默認通過MOS讓D+D-短接，手機端探測到充電器類型為DCP（專用充電端口模式）。此時輸出電壓為5V，手機正常充電。 若手機支持QC2.0快速充電協議，則Android用戶空間的hvdcp進程將會啟動，開始在D+上加載0.325V的電壓。當這個電壓維持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）設置D+為0.6V，D-為0V，充電器輸出5V電壓。
QC所采用的高電壓充電對于手機電池有害。在我看來，這種說法的存在正是由于對手機內電路如何完成電池充電過程的不了解造成的。因此，下面的這個部分不僅介紹QC如何由硬件實現，也介紹其他手機如何完成電池充電。
手機機內的電池充電電路，按功能可以分為兩個部分加以介紹（但不代表這兩個部分在物理上是分離的，事實上，兩個電路常在同一個集成電路中實現）。
1、測量-反饋控制部分
負責監測電池充電的關鍵參數（例如電池充電電流、電池當前電壓、電池溫度），根據預先設定好的電池充電算法，調節如充電電流等參數，或者關斷充電。手機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節某些參數。甚至有些手機充電的測量、反饋控制部分大部分功能都是由軟件來完成。大多數手機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（以往手機是4.2v，現在常見4.35V，偶見4.40V）時，以一個恒定電流對電池充電。
這個恒定電流的大小與電池容量的比值（稱為充電電流倍率）與手機電池充電速度關系密切。要提高手機的充電速度，提高充電電流倍率是一個有效的手段。但是手機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致手機電池的循環衰減增加，甚至有可能導致電池安全問題。目前大多數手機電池可以接受0.5-1倍的充電電流倍率。比如對3000mAh的手機電池，0.5-1倍的充電電流倍率就對應著1500mA-3000mA的充電電流。通過優化電池結構和配方，可以讓電池接受更大的充電電流倍率。就目前的情況來看，手機電池的充電電流倍率上限通常不是手機充電速度的瓶頸。
當電池通過恒定電流充電達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充電限制電壓不變。因為鋰離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。當充電電流減小到預定值后，充電電流會關斷，充電即告完成。
2、電壓電流變換部分
這部分電路的功能是將從手機充電端口得到的電能，在測量、反饋控制部分的控制下，轉換為電池的充電電流。由于手機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生變化）并不匹配，因此需要進行變換。正是由于這個變換過程，高電壓充電影響電池壽命這個說法才是非常荒謬的。因為決定手機電池充電電壓、電流的是測量、反饋控制部分預先設定好的充電程序。輸入電壓高一點或者低一點，只要還在電壓電流變換部分允許的范圍內，都會由電壓電流變換部分變換成程序設定好的值。
電壓電流變換電路的類型，有以下三種：
（1）線性變換電路。
其實質，是一個由測量、反饋控制部分調控的可變電阻。通過電阻將充電器電壓高于電池電壓的部分，通過發熱的形式消耗掉。舉例說明，比如當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，這個電路的發熱功率是（輸入電壓－電池電壓）×充電電流。當充電電流很大的時候，發熱功率也很大。因此，這種電路不適用于現在需要大電流充電且空間有限的手機充電。 這也就是高壓快充發熱大，部分手機廠商開始采用低壓大電流快充的原因。
線性變換電路
（2）開關變換電路。
這種電路的結構圖如下圖所示。利用高速開關的S1（通常由MOSFET來實現）和電感來使輸入電壓降低到電池電壓。并在測量、反饋控制部分調控下控制充電電流。這個電路的輸出電流和電壓與輸入電流和電壓的關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。現在新型手機中，這個效率可以達到90%以上。正是利用了這種開關變換電路，QC2.0能將輸入的高電壓和較小的電流轉換為電池的電壓和較大的充電電流。
開關變換電路
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能夠有效降低輸入端口的電流。
（3）將恒流電路置于專用快速充電機的設計
這種電路可見于早期的小靈通、摩托羅拉某些型號智能機中。Oppo的VOOC超快充電也可能采用了這種設計。其原理是將恒流電路置于專用的恒流充電器中而非手機內。手機內僅有控制電路通斷的電子開關（MOSFET）。當開關接通后，充電器直接與電池連接，依靠充電器中電路來調節輸出電壓和控制充電電流。當然，充滿停充的功能由手機內部電路控制電子開關完成。這么做的優點在于手機內電路較為簡單，且不需要在手機內部發熱消耗多余的電壓。缺點是需要專用充電器。（當年MOTO采用這種設計的智能機若是改用較大電流的USB充電器，就會燒壞內部電子開關，造成手機故障）
3、高通QC 握手協議
QC 快充的充電器與手機通過micro USB接口中間兩線（D+D-）上加載電壓來進行通訊，調節QC的輸出電壓。握手過程如下：當將充電器端通過數據線連到手機上時，充電器默認通過MOS讓D+D-短接，手機端探測到充電器類型為DCP（專用充電端口模式）。此時輸出電壓為5V，手機正常充電。 若手機支持QC2.0快速充電協議，則Android用戶空間的hvdcp進程將會啟動，開始在D+上加載0.325V的電壓。當這個電壓維持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）設置D+為0.6V，D-為0V，充電器輸出5V電壓。
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