快速充电是怎么实现的？
2017-4-24 10:30:14 点击：
快速充电器原理浅析
QC所采用的高电压充电对于手机电池有害。在我看来，这种说法的存在正是由于对手机内电路如何完成电池充电过程的不了解造成的。因此，下面的这个部分不仅介绍QC如何由硬件实现，也介绍其他手机如何完成电池充电。
手机机内的电池充电电路，按功能可以分为两个部分加以介绍（但不代表这两个部分在物理上是分离的，事实上，两个电路常在同一个集成电路中实现）。
1、测量-反馈控制部分
负责监测电池充电的关键参数（例如电池充电电流、电池当前电压、电池温度），根据预先设定好的电池充电算法，调节如充电电流等参数，或者关断充电。手机充电电路的测量和反馈控制部分，通常可以通过软件编程来调节某些参数。甚至有些手机充电的测量、反馈控制部分大部分功能都是由软件来完成。大多数手机对锂电池充电的控制算法都是基于恒流——恒压过程或者其变种。恒流恒压充电的过程，大体上是这样的，首先在电池低于其充电限制电压（以往手机是4.2v，现在常见4.35V，偶见4.40V）时，以一个恒定电流对电池充电。
这个恒定电流的大小与电池容量的比值（称为充电电流倍率）与手机电池充电速度关系密切。要提高手机的充电速度，提高充电电流倍率是一个有效的手段。但是手机电池对充电电流倍率的接受能力有限，过大的充电电流倍率会导致手机电池的循环衰减增加，甚至有可能导致电池安全问题。目前大多数手机电池可以接受0.5-1倍的充电电流倍率。比如对3000mAh的手机电池，0.5-1倍的充电电流倍率就对应着1500mA-3000mA的充电电流。通过优化电池结构和配方，可以让电池接受更大的充电电流倍率。就目前的情况来看，手机电池的充电电流倍率上限通常不是手机充电速度的瓶颈。
当电池通过恒定电流充电达到电池的充电限制电压后，通过逐渐减小充电电流来维持这个充电限制电压不变。因为锂离子电池电压除了随电池充满度提高而上升外，充电电流越大，电池的电压也越高，因此在充满度不断提高的情况下，减小充电电流可以让电池电压维持恒定，这就是恒压过程。当充电电流减小到预定值后，充电电流会关断，充电即告完成。
2、电压电流变换部分
这部分电路的功能是将从手机充电端口得到的电能，在测量、反馈控制部分的控制下，转换为电池的充电电流。由于手机充电端口输入的电压通常是5V、9V之类的电压，与电池电压（3.0V-4.35V，随电量和充电电流发生变化）并不匹配，因此需要进行变换。正是由于这个变换过程，高电压充电影响电池寿命这个说法才是非常荒谬的。因为决定手机电池充电电压、电流的是测量、反馈控制部分预先设定好的充电程序。输入电压高一点或者低一点，只要还在电压电流变换部分允许的范围内，都会由电压电流变换部分变换成程序设定好的值。
电压电流变换电路的类型，有以下三种：
（1）线性变换电路。
其实质，是一个由测量、反馈控制部分调控的可变电阻。通过电阻将充电器电压高于电池电压的部分，通过发热的形式消耗掉。举例说明，比如当充电端口输入的电压是5V，电池电压是3.7V，需要1000mA的充电电流。那么让可变电阻的阻值刚好为1.3Ω即可满足。这个可变电阻的阻值只要能够不断变化，就能够完成恒流恒压的全过程。由基尔霍夫定律可知，这个电路的输入电流等于输出电流。因此，提高输入电压对于这个电路来说，只会使更多的输入功率通过电阻耗散掉，而不会提高电池的充电功率。此外，这个电路的发热功率是（输入电压－电池电压）×充电电流。当充电电流很大的时候，发热功率也很大。因此，这种电路不适用于现在需要大电流充电且空间有限的手机充电。 这也就是高压快充发热大，部分手机厂商开始采用低压大电流快充的原因。
线性变换电路
（2）开关变换电路。
这种电路的结构图如下图所示。利用高速开关的S1（通常由MOSFET来实现）和电感来使输入电压降低到电池电压。并在测量、反馈控制部分调控下控制充电电流。这个电路的输出电流和电压与输入电流和电压的关系可以能量守恒定律求得：输入电压×输入电流×效率=输出电压×输出电流。现在新型手机中，这个效率可以达到90%以上。正是利用了这种开关变换电路，QC2.0能将输入的高电压和较小的电流转换为电池的电压和较大的充电电流。
开关变换电路
举例说明：电池电压为3.7V。需要2A电池充电电流。充电电路效率90%，忽略其他电阻造成的压降。输入端口电压为9.0V，则输入端口通过的电流需要：3.7V*2.0A/90%/9.0V=0.91A，可见QC快充通过提高输入电压确实能够有效降低输入端口的电流。
（3）将恒流电路置于专用快速充电机的设计
这种电路可见于早期的小灵通、摩托罗拉某些型号智能机中。Oppo的VOOC超快充电也可能采用了这种设计。其原理是将恒流电路置于专用的恒流充电器中而非手机内。手机内仅有控制电路通断的电子开关（MOSFET）。当开关接通后，充电器直接与电池连接，依靠充电器中电路来调节输出电压和控制充电电流。当然，充满停充的功能由手机内部电路控制电子开关完成。这么做的优点在于手机内电路较为简单，且不需要在手机内部发热消耗多余的电压。缺点是需要专用充电器。（当年MOTO采用这种设计的智能机若是改用较大电流的USB充电器，就会烧坏内部电子开关，造成手机故障）
3、高通QC 握手协议
QC 快充的充电器与手机通过micro USB接口中间两线（D+D-）上加载电压来进行通讯，调节QC的输出电压。握手过程如下：当将充电器端通过数据线连到手机上时，充电器默认通过MOS让D+D-短接，手机端探测到充电器类型为DCP（专用充电端口模式）。此时输出电压为5V，手机正常充电。 若手机支持QC2.0快速充电协议，则Android用户空间的hvdcp进程将会启动，开始在D+上加载0.325V的电压。当这个电压维持1.25s后，充电器将断开D+和D-的短接， D-上的电压将会下降；手机端检测到D-上的电压下降后，hvdcp读取/sys/class/power_supply/usb/voltage_max的值，如果是9000000（mV），设置D+上的电压为3.3V，D-上 的电压为0.6V，充电器输出9v电压。若为5000000（mV）设置D+为0.6V，D-为0V，充电器输出5V电压。
QC所采用的高电压充电对于手机电池有害。在我看来，这种说法的存在正是由于对手机内电路如何完成电池充电过程的不了解造成的。因此，下面的这个部分不仅介绍QC如何由硬件实现，也介绍其他手机如何完成电池充电。
手机机内的电池充电电路，按功能可以分为两个部分加以介绍（但不代表这两个部分在物理上是分离的，事实上，两个电路常在同一个集成电路中实现）。
1、测量-反馈控制部分
负责监测电池充电的关键参数（例如电池充电电流、电池当前电压、电池温度），根据预先设定好的电池充电算法，调节如充电电流等参数，或者关断充电。手机充电电路的测量和反馈控制部分，通常可以通过软件编程来调节某些参数。甚至有些手机充电的测量、反馈控制部分大部分功能都是由软件来完成。大多数手机对锂电池充电的控制算法都是基于恒流——恒压过程或者其变种。恒流恒压充电的过程，大体上是这样的，首先在电池低于其充电限制电压（以往手机是4.2v，现在常见4.35V，偶见4.40V）时，以一个恒定电流对电池充电。
这个恒定电流的大小与电池容量的比值（称为充电电流倍率）与手机电池充电速度关系密切。要提高手机的充电速度，提高充电电流倍率是一个有效的手段。但是手机电池对充电电流倍率的接受能力有限，过大的充电电流倍率会导致手机电池的循环衰减增加，甚至有可能导致电池安全问题。目前大多数手机电池可以接受0.5-1倍的充电电流倍率。比如对3000mAh的手机电池，0.5-1倍的充电电流倍率就对应着1500mA-3000mA的充电电流。通过优化电池结构和配方，可以让电池接受更大的充电电流倍率。就目前的情况来看，手机电池的充电电流倍率上限通常不是手机充电速度的瓶颈。
当电池通过恒定电流充电达到电池的充电限制电压后，通过逐渐减小充电电流来维持这个充电限制电压不变。因为锂离子电池电压除了随电池充满度提高而上升外，充电电流越大，电池的电压也越高，因此在充满度不断提高的情况下，减小充电电流可以让电池电压维持恒定，这就是恒压过程。当充电电流减小到预定值后，充电电流会关断，充电即告完成。
2、电压电流变换部分
这部分电路的功能是将从手机充电端口得到的电能，在测量、反馈控制部分的控制下，转换为电池的充电电流。由于手机充电端口输入的电压通常是5V、9V之类的电压，与电池电压（3.0V-4.35V，随电量和充电电流发生变化）并不匹配，因此需要进行变换。正是由于这个变换过程，高电压充电影响电池寿命这个说法才是非常荒谬的。因为决定手机电池充电电压、电流的是测量、反馈控制部分预先设定好的充电程序。输入电压高一点或者低一点，只要还在电压电流变换部分允许的范围内，都会由电压电流变换部分变换成程序设定好的值。
电压电流变换电路的类型，有以下三种：
（1）线性变换电路。
其实质，是一个由测量、反馈控制部分调控的可变电阻。通过电阻将充电器电压高于电池电压的部分，通过发热的形式消耗掉。举例说明，比如当充电端口输入的电压是5V，电池电压是3.7V，需要1000mA的充电电流。那么让可变电阻的阻值刚好为1.3Ω即可满足。这个可变电阻的阻值只要能够不断变化，就能够完成恒流恒压的全过程。由基尔霍夫定律可知，这个电路的输入电流等于输出电流。因此，提高输入电压对于这个电路来说，只会使更多的输入功率通过电阻耗散掉，而不会提高电池的充电功率。此外，这个电路的发热功率是（输入电压－电池电压）×充电电流。当充电电流很大的时候，发热功率也很大。因此，这种电路不适用于现在需要大电流充电且空间有限的手机充电。 这也就是高压快充发热大，部分手机厂商开始采用低压大电流快充的原因。
线性变换电路
（2）开关变换电路。
这种电路的结构图如下图所示。利用高速开关的S1（通常由MOSFET来实现）和电感来使输入电压降低到电池电压。并在测量、反馈控制部分调控下控制充电电流。这个电路的输出电流和电压与输入电流和电压的关系可以能量守恒定律求得：输入电压×输入电流×效率=输出电压×输出电流。现在新型手机中，这个效率可以达到90%以上。正是利用了这种开关变换电路，QC2.0能将输入的高电压和较小的电流转换为电池的电压和较大的充电电流。
开关变换电路
举例说明：电池电压为3.7V。需要2A电池充电电流。充电电路效率90%，忽略其他电阻造成的压降。输入端口电压为9.0V，则输入端口通过的电流需要：3.7V*2.0A/90%/9.0V=0.91A，可见QC快充通过提高输入电压确实能够有效降低输入端口的电流。
（3）将恒流电路置于专用快速充电机的设计
这种电路可见于早期的小灵通、摩托罗拉某些型号智能机中。Oppo的VOOC超快充电也可能采用了这种设计。其原理是将恒流电路置于专用的恒流充电器中而非手机内。手机内仅有控制电路通断的电子开关（MOSFET）。当开关接通后，充电器直接与电池连接，依靠充电器中电路来调节输出电压和控制充电电流。当然，充满停充的功能由手机内部电路控制电子开关完成。这么做的优点在于手机内电路较为简单，且不需要在手机内部发热消耗多余的电压。缺点是需要专用充电器。（当年MOTO采用这种设计的智能机若是改用较大电流的USB充电器，就会烧坏内部电子开关，造成手机故障）
3、高通QC 握手协议
QC 快充的充电器与手机通过micro USB接口中间两线（D+D-）上加载电压来进行通讯，调节QC的输出电压。握手过程如下：当将充电器端通过数据线连到手机上时，充电器默认通过MOS让D+D-短接，手机端探测到充电器类型为DCP（专用充电端口模式）。此时输出电压为5V，手机正常充电。 若手机支持QC2.0快速充电协议，则Android用户空间的hvdcp进程将会启动，开始在D+上加载0.325V的电压。当这个电压维持1.25s后，充电器将断开D+和D-的短接， D-上的电压将会下降；手机端检测到D-上的电压下降后，hvdcp读取/sys/class/power_supply/usb/voltage_max的值，如果是9000000（mV），设置D+上的电压为3.3V，D-上 的电压为0.6V，充电器输出9v电压。若为5000000（mV）设置D+为0.6V，D-为0V，充电器输出5V电压。
- 上一篇：常见的几种电源接地及接地处理方法 2017/4/24
- 下一篇：电源工程师必须了解的几个基础知识 2017/4/24