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快速充电技术Quick Charge v2.0解析,最新闻快充技术是怎样实现的?

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来源:路盛源官网 发布时间:2014-12-22 15:10:14
快速充电技术Quick Charge v2.0解析,最新闻快充技术是怎样实现的?
为什么要用Quick Charge v2.0快充?
从电源管理的角度来看,我们的智能终端,屏幕越来越大,通讯的带宽越来越宽。智能手机中的各种计算单元和并行计算的能力都越来越强。它们背后的代价都是更高的功耗,更快的电池消耗速度。
现在我们能看到,手机电池的容量在不断增长。从以前的功能机的时代,基本小于2000mAh,到现在一个屏幕比较大的智能手机,电池可能接近4000mAh。甚至一些平板设备可能会集成容量更大的电池。那么这种情况就给充电这件事儿,带来了比较大的挑战。
关于充电,消费者可能在两件事情上比较不满意。第一,是把一颗电池充满所花费的时间会比较多。第二,在有限的时间内,给手机冲进去的电量,不能维持它更长的工作时间。消费者的这些抱怨也带来了新的机会:在智能设备充电方面,还会有明显的技术进步空间,这也是未来的大趋势之一。
目前来说我们对自己的手机充电的情况,还都是比较了解的。市面上的移动设备主要有2种充电标准,除了iPhone采用专用接口之外,其他设备都是用Micro USB接驳设备,线缆的另一端是一个标准的USB接口,再接驳一个电源适配器
这个电源适配器运行在5V电压。好处是非常方便,基本上只要有一根USB线,电脑就可以给手机充电,各种电源适配器都可以复用。但是缺点的在于,现在的电源适配器品种非常多,有的输出电流比较高,有的则比较低。
并且市场上的USB线缆种类也非常多。有的线上的阻抗比较高,能达到350mΩ,有的是比较低的100mΩ。这些差异也导致了用户在不同充电设备上有不同的充电时间感受。
比如一家非常好的手机厂商,对手机进行了非常好的设计,也在手机内部用了一颗非常好的充电管理IC。但是用户在家里也许换了一根其他品牌的数据线,也许可能就体验不到这种快充的效果。这是一般手机厂商在这些5V的电压之下的统一标准下的比较难突破的地方。
Quick Charge的充电优势
在充电速度方面,采用Quick Charge技术之后,消费者可以尽享便捷充电的优势。传统的linear charger其充电电流小于1A。(如果充电电流大于1A的话,设备就过热了)以一个3300mAh的电池举例,传统的linear charger方式充电,要长达4小时左右。而Quick Charge v1.0将充电电流提升到1.8~2A。基本上可将充电时间缩短到40%。如果更进一步,使用Quick Charge v2.0标准,使用3A的充电电流的话,那么在1小时多一点的时间,就可以完成充电。
上面是关于,整个电池的充电时间获得的优势。那么在单位时间里面,更快的更多的往手机里面充一些电,这对很多人来说,其实更加重要。很多用手机的人,都很忙碌,有机会坐下来休息一会儿,在这有限的时间里能尽可能的往电池里冲入更多地电量,对用户体验来说非常重要。这也是Quick Charge v2.0在用户体验方面带来的一个比较明显的地方。
Quick Charge v1.0和Quick Charge v2.0有什么区别?
今天QualcommQuick Charge已经发展到v2.0标准了。那以前的v1.0怎么样?和今天的v2.0有什么差别有什么关系?
简单来说Quick Charge v1.0就是大家比较熟悉的,在手机主板内,采用switching charger的方式给锂电池进行充电。它有什么优势和特点呢?
在以前的功能机时代,大多采用的是linear charger的充电方式。它的输入电流永远等于输出电流。电源适配器是5V输出,手机电池电压是在3V4.2V之间。当电池的电压比较低的时候,就有一个直接的功率损耗问题,供电的功耗就会损耗在charger电路上面。
因为输入的功率是5V * 电流,输出的功率是电流 * 电压。输出的电压要比5V低,比如电池电压是3V,这种情况会有40%的功率损耗。这就是以前linear charger最大的问题——由于有这么大的功率损耗,导致在充电过程中它的发热会比较厉害。也导致了没有办法进一步提高充电电流。
技术开始变革,整个手机行业的充电方式从linear charger过度到switching charger。
Quick Charge v1.0的两大特性
Quick Charge v1.0采用了switching charger模式,当你在5V1A这种制式下,当你的电池电压比较低得时候,给电池充电的电流,实际上是高于输入电流的。功率方面几乎可以说是持平的。(不计电路功率损耗)switching charger的方式进一步提升了充电电流,也就缩短了充电时间。与传统USB充电技术相比,充电速度提升40%。
在Quick Charge v1.0还要解决一个问题。由于我们现在都是5V的制式,另一端都是标准的USB。但我们在充电时,也会遇到许多不同类型的电源。电源有可能是一个USB口,有可能是一个墙式充电器,或者是其他USB的附件,或者是充电宝之类的电源。作为手机上的充电电路,需要它能够去识别这些电源的类型。因为很多电源的电流输出能力是很宽泛的,从几百mAh1.8A都有。手机的充电电路应该根据所连接的电源的类型抽取相应的电流。
举例来说,如果是接驳笔记本电脑上的USB接口供电,手机过度的拉电流的话,超过500mA,笔记本电脑电源输出有可能进入保护状态,也就不能完成充电的动作。因此在手机的充电电路上,还要有这样一个识别机制,确定是什么类型的电源,最大限度的去利用这个电源的输出电流能力。这个就是Quick Charge v1.0做的事情。
这个识别动作,也是有一个国际通用标准的叫做:USB BC 1.2,输出电流范围为300mA-1800mA。这个标准已经相当普遍了,目前几乎所有品牌的智能手机都采用了这个标准。
小结一下,Quick Charge v1.0主要就两个功能:第一是,switching charger的这种充电方式,实现电源适配器1.8A的电流输出。第二是,识别不同USB电源的类型。
Quick Charge v2.0规范解析
Quick Charge v2.0又比v1.0多了什么呢?上文我们已经讨论过,手机充电是基于USB接口的一种通用标准。5V电压,电流上限是1.8A,那么我们能得到的最大功率就是5V * 1.8A = 9W,那么9W折算到充电电流来讲,最大极限就是2A左右。现在如果设备配备了3000mAh乃至更大的4000mAh的电池,充电的时间还是比较长的,。如果消费者想要将充电时间缩短到2小时,甚至是1小时的话,就要想别的办法。
现在市场上也有一些类似的技术,比如在电源适配器上,在5V电压下,输出3A4A电流。但消费者所使用的线缆是没法控制的,作为手机制造商也没法完全控制用户使用什么样的线缆。消费者家里可能用过很多设备,也许手机换了,但是线还在。其质量也参差不齐,有的比较长,有的比较短,阻抗也各不一样。
如果消费者使用了一根体质比较差的线缆,阻抗较高。即使电源适配器能够提供大电流,手机上的charge IC也能在大电流情况下给电池充电,但是由于线损的问题,到达手机主板上的电压比较低的,也就根本没有办法达到一个比较高的充电电流。这就是在5V环境下的一个天然的局限。
Qualcomm的工程师会怎么做呢?既然要提高到电源适配器到手机主板的总功率,但是又不能进一步提升电流了(1.8A的限制)那么也就只能提高电压这一种途径了。
在Quick Charge v2.0中,设计了两种方案,即A类和B类。A类可以提供输出5V9V12V三种电压。通过提高电压的方式,让电源适配器能够提供更多的电量给到手机终端。
这件事情听起来很简单,但问题是如何向前的兼容呢?电源适配器直接输出9V12V,可能会导致手机过压保护了。所以还是需要有这样一个机制,在手机和电源适配器之间,手机能够识别电源适配器是标准的5V输出,还是有更高的供压能力。在手机授权的情况下,再做一个动态的调整,接受更高的电压和电流。这就是Quick Charge v2.0最主要的特性。
从总功率方面来讲,Quick Charge v2.0已经完全考虑到未来终端发展的趋势。乃至到手机、平板、笔记本电脑融合的趋势,在总功率的规划方面,规格已经做的相当高了。现有的A类方案,可以支持到36W。未来的B类方案,电压将支持到5V9V12V20V四种电压,功率可以达到60W。因此基本上笔记本电脑,和多节电池串联的构架,都可以得到满足。
快充Quick Charge v2.0的实现方式
讲了这么多的Quick Charge v2.0的一些原理和优点,那Quick Charge v2.0充电技术是怎么样实现的呢?下面我们来讲讲;
支持QC 2.0快充的充电器根据手机端在micro USB接口DP/DM上加载的电压值来调整自身AC/DC的输出电压和电流,其对应关系如表1所示:
 
表1
具体调整原理如下:
当将充电器端通过数据线连到手机上时,充电器默认的是将D+D-短接的,这样手机端探测充电器类型是DCP,手机以默认的5V电压充电,接着过程如下:
1) 如果手机端使能了快速充电协议,Android用户空间的hvdcp(high voltage dedicated charger port)进程启动,并且在D+上加载0.325V的电压维持超过1.25s上;
2) 充电器检测到D+上电压0.325V维持超过了1.25s,就断开D+D-的短接,由于D+D-断开,所以D-上的电压不再跟随D+上的电压0.325V变动,此时开始下降;
3) 手机端检测到D-上的电压从0.325V开始下降维持1ms以上时,hvdcp读取/sys/class/power_supply/usb/voltage_max的值,如果是9000000mV,就设置D+上的电压为3.3VD-的电压为0.6V,否则设置D+0.6VD-0V;
4) 充电器检测到D+D-上的电压后,就调整充电器输出电压到9V。
v1.0与v2.0的是如何兼容的?
在Quick Charge v1.0中,电源适配器5V输出到手机主板,主板上的充电电路得到5V电压,会对电池进行充电。而这种充电电路的存在形式会有2种,一个是PMIC方式,即手机套片内部的switching charger电路,它本身的效率已经很高。但是如果手机厂商还希望进一步提高充电电流,得到更快的充电时间,尽可能的再降低一些发热,也可以用片外独立的switching charger芯片。而在USB D+D-线上,会有一个BC1.2的握手。
在Quick Charge v2.0中,它的构架是完全兼容v1.0的,也没有更多额外的控制引脚和接口。所有的控制还是运行在USBD+D-信号线上的,并且它是兼容BC1.2的。不同的是,在BC1.2的基础上,Quick Charge v2.0的电路会再判断一次,电源是否支持Quick Charge2.0。如果电源支持,手机再请求电源适配器提供更高的电压。这一系列的握手,都是建立在BC1.2标准基础之上的,所以v2.0也是充分向前兼容的。在手机主板端,也提供了片上和独立的switching charger方案供OEM厂商选择。
随着Qualcomm在市面上全面推广Quick Charge技术,未来在市面上,可能会看到两种主要的规格。仅仅支持5V电压的,Quick Charge v1.0的电源适配器,或者是支持多种电压的Quick Charge v2.0的电源适配器。同时,手机和平板设备也会有2种。在实际的情况中,这两种电源适配器和手机,非常有机会互相复用。支持Quick Charge v2.0的手机,使用普通的USB 5V电源适配器,也可以工作。支持不同电压的v2.0的电源适配器,也可以给其他普通手机充电。采用Quick Charge技术的设备,向下的兼容性是没有任何问题的;传统手机和电源适配器,也向下兼容Quick Charge的设备。
经过Qualcomm1年多以来的生态系统搭建,截止到2014年年中,在国内已经有5家电源适配器芯片方案的厂商,已经有完备的Quick Charge v2.0的方案。国内有数十家电源适配器生产厂商在做相关产品。相信未来,Quick Charge2.0很有可能成为USB BC1.2的一个实施标准,得到全行业的认可。
关于Quick Charge认证
Quick Charge现在在整个行业里,又作到了什么程度?目前,Quick Charge v1.0已经近乎成为了整个行业的评测标准,各大手机厂商如果采用Qualcomm的平台开发自己的手机产品,基本上已经全部支持Quick Charge v1.0。
而v2.0的部分,Qualcomm2013年开始推广,到2014年年中,已经有多款的商用终端产品在市场上正式发布,并且国内已经有很多OEM厂商热衷采用这项技术。
并且Qualcomm已经提供了完整的兼容性测试。这个测试是第三方权威机构进行评测的,待到测试通过之后,Qualcomm会给一个认证LOGO。这些技术对于所有的OEM厂商来说都是免费的,当然测试可能会花一些费用,毕竟那是第三方的测试费。显而易见,手机厂商为用户做的这些努力,用户也能切实看到。并且用户家里有那么多条数据线和电源适配器,这小小的LOGO也能让用户明确知道自己手中产品有何过人之处。
关于安全性的问题
对于终端消费者来说,最关心的问题就是,手机充电速度提高了,手机和电池会不会有安全性的问题。根据目前手机电池的发展情况,安全的充电电流是1C,新型的电池目前已经能支持到1.5C1.6C的充电能力。1.5C是个什么概念呢?举例来说,一颗4000mAh的电池,它的充电电流不超过6000mA。对于充电电池来说,充电电流的门槛已经足够宽泛了。
另外Quick Charge所解决的问题是,电源适配器提供更高的功率到手机端。这里还有一点,很多人可能会忽略,电源适配器所提供的电能,不是100%都用来给电池充电的。当手机在充电的时候,手机还是在工作的。很多人可能会一边充电,一边玩游戏。有很多电能消耗在给系统供电,也许会有30~40%的电能用在给系统供电了。所以手机电池真正能获得的充电电流,会进一步打折。Quick Charge技术,不但提高了到电池的电流,也在充电时,提供了更高的到整个手机系统的电流。
从这两个角度讲Quick Charge技术并没有对手机和电池造成所谓的不安全因素。因为给电池充电电流的额定值,是手机主板内设定的,而通过Quick Charge手机整体得到了更多的电流。由此不安全、毁电池这些疑云也就不攻自破了。