快速手机充电器的原理是什么

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快速手机充电器的原理是什么

充电器厂家曾做过一个调查报告，称有 90% 以上的人会因为手机没电感到焦虑，有 41% 的人会在手机低电量时错过重要电话，而 17% 的男性则很容易因为手机没电而失约——这种现象被称为‘低电量焦虑症’。

（充电器厂家关于‘低电量焦虑症’报告，图片��源：Dailymail）
随着手机搭载越来越多的重要功能，手机断电也成了一件******烦。在兼顾手机轻薄的同时，要减缓现代人的‘低电量焦虑症’，那就只能尽量提高手机的充电速度了——‘快速充电器’（简称‘快充’）技术应运而生。
包括 2017 年的三款新 iPhone 在内，主流智能手机充电器或多或少都兼具了‘快充’功能。‘快充’到底是怎么一回事，怎样才能让手机充电充得更快呢？

手机充电器的原理是什么？
1991 年，索尼和旭化成公司联合发布了首款商用锂电池，从此，锂电池开始被广泛用于数码 3C 产品当中，手机自然也不例外。爱范儿（微信号：ifanr）曾在之前的文章中提及过锂电池的工作原理：
锂电池分为正极和负极，正极是锂化合物，负极主要采用石墨材料，均浸泡在电解液当中。
无论是放电还是充电，其实都是锂离子在电池的正极与负极之间移动、电能和化学能相互转换的过程。充电时，由于电场的作用，锂离子从正极移动到负极，并存储能量；放电时，锂离子在化学反应的作用下从负极又移动到正极，此时形成电流供电。

锂电池充电器的速度，实际上就是电能转化为化学能的速率，也就是所谓‘功率’（P）。简单回顾一下中学物理，众所周知：
P=IU
功率=电流*电压
电流或电压越大，功率也就越大，锂电池充电器速度理应更快。但受到锂电池本身的限制，在欠压或过压的情况下充电器，都会对电池产生损伤，因此锂电池的充电器方式比较特殊，通常分为三个阶段：
恒定电流预充电（Constant Current Pre-charge Mode）
大电流恒定电流充电（Constant Current Regulation Mode）
恒定电压充电（Constant Voltage Regulation Mode）
在手机完全没电时，充电器先通过电流较小的恒定电流对锂电池进行充电，使其慢慢恢复活性；一段时间后，充电器会加大恒定电流，并逐步提高电压，这是锂电池充电的主要阶段；电池电量在 80% 左右时，充电器会在恒定电压下慢慢减小电流的输入，直到电流低于某个临界值，此时手机显示充满电。
这样的充电流程，一般都是由手机内置的电源管理芯片进行控制的，而充电器大部分情况下仅仅是根据电源芯片的指令进行调控而已。
充电线

因此，如果要提升手机锂电池的充电速度，必须在‘大电流恒定电流充电’阶段下功夫。
在功能机时代，手机对电池容量的要求不高，锂电池技术也不那么成熟，为了使锂电池充电趋于稳定，当时大部分厂商都遵循国家建议的低倍率充电标准‘5V 0.2C’——即充电电压为 5V，充电电流为 0.2C（C 代表代表电池充放电的速率，当电池以 1C 的电流充电时，1 小时即可完全充满电。如果是 1000mAh 容量的电池，1C 就是指充电电流为 1A；2000mAh 容量的电池，1C 就是指充电电流为 2A，以此类推）。
但随着智能手机时代的到来，手机对电量的需求大增，低倍率充电标准已经很难满足充电的需求。而此时锂电池技术也有了较大的发展，稳定性更好，充放电的耐受性也有所提升，‘快充’开始登上舞台。

USB充电器

什么是‘快充’？
本质上，‘快充’就是一种在合理范围内提高手机充电功率的技术，旨在为手机迅速补充大部分的电量。由于功率与电压和电流的大小有关，目前‘快充’主要分为以下两种方案：
高压小电流
低压大电流
‘快充’是一整套的充电解决方案，需要手机内置的电源管理芯片、充电线、充电器三部分共同协调，缺一不可。
iPhone 就是一个典型的反例。尽管 iPhone 8、iPhone X 都已经支持快充，但配套的充电头却是‘5V 1A’的规格，满负荷时功率也仅仅只有 5W，充电效率极低。

早在 2013 年，高通就意识到了‘快充’对智能手机的重要性，当时就推出了 Quick Charge 1.0 标准，通过提高输入电流来提高充电效率，让搭载骁龙 600 处理器的手机支持‘5V 2A’充电。
但由于 micro USB 接口的限制，超过 2A 的电流很可能会造成损毁的情况，于是高通又想到了另一套解决方案——提高接口的电压。在把输入电流限制在 2A 以内的情况下，通过提高供电电压，同样可以达到提升功率的效果。
经过不断地改进，高通的 Quick Charge 2.0/3.0 可以实现‘9V 2A’，也就是以最高 18W 的功率进行充电。
（高通 Quick Charge 的演进，图片来源：Anand Tech）
‘高压小电流’快充方案启发了不少同行，联发科的 Pump Express Plus 1.0/2.0、三星的 Fast Charge、魅族的 mCharge 3.0 都是类似的解决方案。
不过，在高电压输入手机之后会有一个降压过程，此时手机内部会产生热损耗，导致发热严重。因此，不少采用这套方案的手机在亮屏时都不会激活快充，以防机身过热。
此外，由于厂商之间存在竞争关系，因此尽管快充实现原理相似，但彼此之间存在兼容性问题，因此要提升充电效率，首要的是选择兼容性好的充电器。
2014 年，搭载 VOOC 闪充的 OPPO Find 7 横空出世，充电功率达到惊人的 22W。随着 OPPO 手机的热卖，‘充电五分钟，通话两小时’的广告词也深入人心，消费者开始认识到‘快充’的意义。
VOOC 闪充的快充原理就是‘低压大电流’策略。
由于 micro USB 接口限制了输入电流的大小，因此 OPPO 干脆将整套充电系统进行定制——充电器、充电线、手机内部电路都进行改造，并采用电池多线路充电的方法，使得 VOOC 闪存能够以‘5V 4A’进行充电。
（VOOC 闪充充电器）
VOOC 闪存的好处在于，把充电过程中的发热组件基本都设置在充电器里，在实现快充的同时手机不至于过热。但缺点也比较明显，一是得配合 VOOC 闪充充电器、充电线才能使用，二是整套解决方案成本较高，搭载 VOOC 闪充的手机价格都不会太便宜。
归根结底，手机快充的症结所在，就是那个小小的 micro USB 接口——你可能也注意到了，近年来搭载 USB-C 接口（全称 USB Type-C）的手机越来越多，实际上这就是手机接口革命的前兆。USB- C 可以说是未来接口标准的一个交点，有以下几个重要特性：
支持正反插拔
兼容 USB 3.1 标准，最快支持 10Gbit/s 传输
支持 USB Power Delivery 充电协议，最大可以提供 100W 的电力，并且可双向供电
支持 DisplayPort，可以输出音频与视频
（USB-C 接口的好处，图片来源：LinkedIn）
目前 USB-C 最典型的应用，其实就在任天堂年初发售的新主机 Switch 上。仅靠 USB-C 接口，Switch 就实现了正反插拔、主机供电、游戏输出等功能，让 Switch 能在掌机和主机之间自由切换。这也是为什么新 MacBook、MacBook Pro 都只采用 Thunderbolt 3 接口的原因（外观与 USB-C 相同，功能上兼容 USB 3.1）。
USB-C 支持 USB Power Delivery 充电协议（简称为 PD 充电协议），得以让手机充电的输入电流、电压都有所突破，最高可达‘20V 5A’。
（新 MacBook Pro 搭载了四个 USB-C 接口）
现阶段，USB-C 还处在一个过渡期，并不是所有采用 USB-C 接口的手机充电器功能都兼容 USB 3.1 标准、采用 PD 充电协议，但根据充电头网的消息，新标准或将于 12 月份公布，届时，手机市场也许会迎来快充新秩序。
此外，2017 年发布的三款新 iPhone 也都支持 PD 充电协议，采用‘高压小电流’的快充方案，输入功率可达 15W，不过电量达到 75% 之后功率会降低到 7.5W 左右。
（iPhone 8 Plus 快充实测，图片来源：@李小白nemo）
小技巧：怎样让手机充电变得更快？
弄清楚手机快充的原理和类型之后，提高手机充电速度的办法也就一目了然：
充电时少玩手机
开启‘省电模式’进行充电
选用合适的快充充电器
前两点很好理解，属于能够小幅提升充电速度的技巧。
对于采用‘高压小电流’快充方案的手机，由于在手机内部存在降压过程，会产生热损耗，因此亮屏时通常都不会激活快充，以防机身过热。
而开启‘省电模式’（iOS 称为‘低电量模式’）后，手机系统的各项功耗都会有所减少，因此充电速度也就更快。目前，Fast Charging 等号称能够让充电速度变快的 App，也都是采用类似的原理——通过严格地控制手机的功耗，来提升手机充电速度。
（iPhone 的‘低电量模式’开关）
事实上，选用合适的充电器，看似微不足道，却是最影响手机充电效率的部分。
支持快充的 Android 手机，原装充电器的充电速度通常都是最快的（不过也有反例存在，华为 P10 就没有标配快充头）。
如华为 Mate 10 使用标配的 HUAWEI SuperCharge 充电器，就能以‘5V 4A’的低压大电流进行充电，但如果使用其他的充电器，则无法保证快充效果。
如果你不确定自己手头的充电器是否支持快充，也可以简单地通过充电头上标识的参数进行判断：
‘圆圈闪电’标识表示支持高通 Quick Charge 技术，只要你的手机搭载了高通处理器，基本上都可以用这种充电头实现快充。
‘输出功率’则决定了充电速度的快慢，功率在 15W 以上的充电头都属于快充头。一般来说功率较大的充电头，充电速度会相对更快一些，但具体还要视机型的支持情况。

比如用小米 6 标配的充电头，给小米 6 充电能够以 15W 的功率进行充电，但给红米 Note 4X（骁龙 625 版）就只能以 10W 的功率充电，虽然都属于 Quick Charge 的范畴，但充电速度差距明显。
至于 OPPO 采用的 VOOC 闪充方案，由于定制化程度更高，因此只有使用标配的 VOOC 充电器以及充电线才能实现 20W 功率的快充。
值得一提的是，手机充电的功率是由手机进行控制的，不同标准之间存在‘握手协议’。充电器会自动根据手机的指令对输入功率进行调控，因此不必担心大功率充电器把烧毁手机的问题。反倒是大功率充电器不容易满负载运行，因此发热量会比小功率的充电器更小一点。
至于万年标配 5W 慢充头的 iPhone，建议购入苹果官方的 12W 充电器，这也是性价比较高的 iOS 设备快充解决方案。

iPhone 8 / iPhone X 虽然支持快充，但需要额外购买苹果官方的 29W 充电器以及 Lighting 转 USB-C 的数据线，二者分别为 388 元和 188 元，也就是你要多花 576 元才能使用 29W 的充电头。
如果选购 149 元的 12W 的手机充电器，虽然输入功率上不如 29W，但已经比 5W 的慢充头快得多了。根据 AppleInsider 的测试，给 iPhone 8 Plus 充满电，12W 充电器虽然比 29W 的慢了约 20 分钟，却足足比 5W 慢充头快了一个小时。
（iPhone 8 Plus 充电测试，图片来源：AppleInsider）
此外，12W 充电器还能给旧款的 iPhone 6s、iPhone 7 充电，可以实现最高 10W 的充电功率，这也比原装的 5W 慢充头快多了。
在电池技术没有大步阔进的情况下，‘快充’对用户体验的确有显著的提升。但混乱的快充标准、配件的兼容性问题，又成为制约‘快充’的短板。
得等到什么时候，Android 才能统一快充标准，iPhone 才会标配快充头呢？

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| 发布时间：2017.11.28 来源：充电器厂家

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