高通Quick Charge 2.0快充技術從入門到精通

高通Quick Charge 2.0快充技術(下稱QC2.0),近日成為了我們關注的焦點,同時也是整個行業熱議的話題。在此之前快充只能通過提升電流的方式來達成,但是MicroUSB所能承受的5V 2A(10W)已經到達臨界點,電流再增加勢必造成MicroUSB不良率翻倍。

這時在不改變MicroUSB接口的前提下,高電壓的QC2.0快充迅速受到消費者熱捧,那麼QC2.0技術是如何實現的、電壓如此高會對手機電池有無影響?帶著這一問題,來自充電頭的“電池哥”cooldiy_cn為我們帶來了“高通QC2.0原理深度解析”,通過實操一起打消大家的未解之謎。

1、誕生原因

手機的體驗好壞受到很多因素的影響。其中一點就是能量問題。手機的能量來自於電池,電池性能直接影響手機的使用時間。除了電池性能本身,手機的使用方式也影響手機電池性能對手機體驗的影響。

10年前常見的諾基亞智能機或MTK功能機,1000mAh左右的電池足以保證這些手機一天以上的使用。300-500mA的充電電流足以讓這些手機以較為合理的速度充電。采用標准的USB供電或者專用線充已經能夠滿足這些手機充電的需求。

5年前, Windows Mobile智能機和早期安卓智能機,電池容量增加到了1500mAh左右。這時出現了USB BC1.1協議 提供了DCP(專用充電端口模式)利用USB的數據引腳對充電器進行識別和區分,從而將標准USB端口的500mA電流擴展到1.5A,滿足了這些設備的充電需求。

時代在變遷,大屏幕的智能手機的耗電達到了一個新的高度。人對於手機的依賴程度也遠遠超過了10年前。如今,手機已經成為人與世界溝通(包括但不限於上網、通話),與自己內心溝通(包括游戲等)的工具。手機實際使用的時間比率大大提高了。這對手機電池能量提出了極高的要求。同時手機設計趨向輕薄,不支持快速更換電池,能量輸入完全依賴充電、數據端口來進行。

然而,手機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*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 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也運用了同樣的解決方法。

2、硬件實現

在談及QC2.0的硬件實現之前,我想提一提我前一段時間在網上看到的關於QC2.0的評論。有不少評論,以及博客文章有這麼一個說法:QC2.0所采用的高電壓充電電池對於手機電池有害。在我看來,這種說法的存在正是由於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QC2.0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。大多數手機對锂電池充電的控制算法都是基於恆流-恆壓過程或者其變種。恆流恆壓充電的過程,大體上是這樣的,首先在電池低於其充電限制電壓(以往手機是4.2v,現在常見4.35v,偶見4.40v)時,以一個恆定電流對電池充電。

這個恆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。

當電池通過恆定電流充電達到電池的充電限制電壓後,通過逐漸減小充電電流來維持這個充電限制電壓不變。因為锂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恆定,這就是恆壓過程。當充電電流減小到預定值後,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。由於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)並不匹配,因此需要進行變換。正是由於這個變換過程,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,有以下兩種。

i.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於電池電壓的部分,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。那麼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,就能夠完成恆流恆壓的全過程。由基爾霍夫定律可知,這個電路的輸入電流等於輸出電流。因此,提高輸入電壓對於這個電路來說,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)X充電電流。當充電電流很大的時候,發熱功率也很大。因此,這種電路不適用於現在需要大電流充電且空間有限的手機充電。

ii.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。並在測量、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恆定律求得: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。

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QC2.0通過提高輸入電壓確實能夠有效降低輸入端口的電流。

iii.將恆流電路置於專用充電器的設計

這種電路可見於早期的小靈通、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。其原理是將恆流電路置於專用的恆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)。當開關接通後,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。這麼做的優點在於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QC2.0 握手協議

QC 2.0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QC2.0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後,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-上的電壓下降後,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。

4、QC2.0充電實戰

這裡我們使用的是YZXstudio充電頭定制版紅表,直觀測試QC2.0充電器電壓識別改變過程。插入USB接口可以檢測到用於偵測QC2.0信號的D+ D-電壓,同時還能顯示輸入輸出的電壓、電流。內置庫侖計,精度可達萬用表級別。

開機通電,插手機之前: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。

插入手機後的一瞬間,手機會在D+上加0.6V的檢測電壓,因為此時D+D-短路的所以D-電壓也跟隨變高。

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

手機檢測到D-變成0,說明充電器支持QC2.0,發送改變電壓的申請。

至於充電器輸出多少電壓給手機,參看這個表格。需要留意的是,所有0.6V代表0.325-2.000V ,所有3.3V代表大於2.000V,在此范圍內即可正確申請QC2.0握手協議。