你有低電量焦慮症總是急需充電嗎?3 分鐘帶你讀懂快速充電原理

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本篇來自合作媒體 愛范兒 ,INSIDE 經授權轉載。

LG 曾做過一個 調查報告 ,稱有 90% 以上的人會因為手機沒電感到焦慮,有 41% 的人會在手機低電量時錯過重要電話,而 17% 的男性則很容易因為手機沒電而失約 ,這種現像被稱為「低電量焦慮症」(low battery anxiety)。

隨著手機搭載越來越多的重要功能,手機斷電也成了大麻煩。在兼顧手機輕薄的同時,要減緩現代人的「低電量焦慮症」,那就只能盡量提高手機的充電速度了,「快速充電」技術也應運而生。

包括 2017 年的三款新 iPhone 在內,主流智慧手機或多或少都兼具了「快速充電」功能。「快速充電」到底是怎麼一回事,怎樣才能讓手機充電充得更快呢?

手機充電的原理是什麼?

1991 年,索尼和旭化成公司聯合發表了首款商用鋰電池,從此,鋰電池開始被廣泛用於數位 3C 產品當中,手機自然也不例外。之前的文章中提及過鋰電池的工作原理:

鋰電池分為正極和負極,正極是鋰化合物,負極主要採用石墨材料,均浸泡在電解液當中。

無論是放電還是充電,其實都是鋰離子在電池的正極與負極之間移動、電能和化學能相互轉換的過程。充電時,由於電場的作用,鋰離子從正極移動到負極,並存儲能量;放電時,鋰離子在化學反應的作用下從負極又移動到正極,此時形成電流供電。

鋰電池充電的速度,實際上就是電能轉化為化學能的速率,也就是所謂「功率」(P)。簡單回顧一下物理,眾所周知:

P=IU

功率=電流*電壓

電流或電壓越大,功率也就越大,鋰電池充電速度理應更快。但受到鋰電池本身的限制,在欠壓或過壓的情況下充電,都會對電池產生損傷,因此鋰電池的充電方式比較特殊,通常分為三個階段:

恆定電流預充電(Constant Current Pre-charge Mode)

大電流恆定電流充電 (Constant Current Regulation Mode)

恆定電壓充電(Constant Voltage Regulation Mode)

在手機完全沒電時,充電器先通過電流較小的恆定電流對鋰電池進行充電,使其慢慢恢復活性;一段時間後,充電器會加大恆定電流,並逐步提高電壓,這是鋰電池充電的主要階段;電池電量在 80% 左右時,充電器會在恆定電壓下慢慢減小電流的輸入,直到電流低於某個臨界值,此時手機顯示充滿電。

這樣的充電流程,一般都是由手機內置的電源管理晶片進行控制的,而充電器大部分情況下僅僅是根據電源晶片的指令進行調控而已。

因此,如果要提升手機鋰電池的充電速度,必須在「大電流恆定電流充電」階段下功夫。

在功能機時代,手機對電池容量的要求不高,鋰電池技術也不那麼成熟,為了使鋰電池充電趨於穩定,當時大部分廠商都遵循國家建議的低倍率充電標準「5V 0.2C」—即充電電壓為 5V,充電電流為 0.2C(C 代表代表電池充放電的速率,當電池以 1C 的電流充電時,1 小時即可完全充滿電。如果是 1000mAh 容量的電池,1C 就是指充電電流為 1A;2000mAh 容量的電池,1C 就是指充電電流為 2A,以此類推)。

但隨著智慧手機時代的到來,手機對電量的需求大增,低倍率充電標準已經很難滿足充電的需求。而此時鋰電池技術也有了較大的發展,穩定性更好,充放電的耐受性也有所提升,「快速充電」開始登上舞台。

什麼是「快速充電」?

本質上,「快速充電」就是一種在合理範圍內提高手機充電功率的技術,旨在為手機迅速補充大部分的電量。由於功率與電壓和電流的大小有關,目前「快速充電」主要分為以下兩種方案:

高壓小電流

低壓大電流

「快速充電」是一整套的充電解決方案,需要手機內置的電源管理晶片、充電線、充電器三部分共同協調,缺一不可。

iPhone 就是一個典型的反例。儘管 iPhone 8、iPhone X 都已經支援快速充電,但配套的充電頭卻是「5V 1A」的規格,滿負荷時功率也僅僅只有 5W,充電效率極低。

早在 2013 年,高通就意識到了「快速充電」對智慧手機的重要性,當時就推出了 Quick Charge 1.0 標準,通過提高輸入電流來提高充電效率,讓搭載驍龍 600 處理器的手機支援「5V 2A」充電。

但由於 micro USB 接口的限制,超過 2A 的電流很可能會造成損毀的情況,於是高通又想到了另一套解決方案,提高接口的電壓。在把輸入電流限制在 2A 以內的情況下,通過提高供電電壓,同樣可以達到提升功率的效果。

經過不斷地改進,高通的 Quick Charge 2.0/3.0  可以實現「9V 2A」,也就是以最高 18W 的功率進行充電。

「高壓小電流」快速充電方案啟發了不少同行,聯發科的 Pump Express Plus 1.0/2.0、三星的 Fast Charge、魅族的 mCharge 3.0 都是類似的解決方案。

不過,在高電壓輸入手機之後會有一個降壓過程,此時手機內部會產生熱損耗,導致發熱嚴重。因此,不少採用這套方案的手機在螢幕時都不會開啟快速充電,以防機身過熱。

此外,由於廠商之間存在競爭關係,因此儘管快速充電實現原理相似,但彼此之間存在兼容性問題,因此要提升充電效率,首要的是選擇兼容性好的充電器。

2014 年,搭載 VOOC 閃充的 OPPO Find 7 橫空出世,充電功率達到驚人的 22W。隨著 OPPO 手機的熱賣,「充電五分鐘,通話兩小時」的廣告詞也深入人心,消費者開始認識到「快速充電」的意義。

VOOC 閃充的快速充電原理就是「低壓大電流」策略。

由於 micro USB 接口限制了輸入電流的大小,因此 OPPO 乾脆將整套充電系統進行定制——充電器、充電線、手機內部電路都進行改造,並採用電池多線路充電的方法,使得 VOOC 閃存能夠以「5V 4A」進行充電。

VOOC 閃存的好處在於,把充電過程中的發熱組件基本都設置在充電器裡,在實現快速充電的同時手機不至於過熱。但缺點也比較明顯,一是得配合 VOOC 閃充充電器、充電線才能使用, 二是整套解決方案成本較高,搭載 VOOC 閃充的手機價格都不會太便宜。

說到底,手機快速充電的癥結所在,就是那個小小的 micro USB 接口,你可能也注意到了,近年來搭載 USB-C 接口(全稱 USB Type-C)的手機越來越多,實際上這就是手機接口革命的前兆。USB- C 可以說是未來接口標準的一個交點,有以下幾個重要特性:

支援正反插拔

兼容 USB 3.1 標準,最快支援 10Gbit/s 傳輸

支援 USB Power Delivery 充電協議,最大可以提供 100W 的電力,並且可雙向供電

支援 DisplayPort,可以輸出音頻與視頻

目前 USB-C 最典型的應用,其實就在任天堂年初發售的新主機 Switch 上。僅靠 USB-C 接口,Switch 就實現了正反插拔、主機供電、遊戲輸出等功能,讓 Switch 能在掌機和主機之間自由切換。這也是為什麼新 MacBook、MacBook Pro 都只採用 Thunderbolt 3 接口的原因(外觀與 USB-C 相同,功能上兼容 USB 3.1)。

USB-C 支援 USB Power Delivery 充電協議(簡稱為 PD 充電協議),得以讓手機充電的輸入電流、電壓都有所突破,最高可達「20V 5A」。

現階段,USB-C 還處在一個過渡期,並不是所有採用 USB-C 接口的手機功能都兼容 USB 3.1 標準、採用 PD 充電協議,但根據充電頭網的消息,新標準或將於 12 月份公佈,屆時,手機市場也許會迎來快速充電新秩序。

此外,2017 年發布的三款新 iPhone 也都支援 PD 充電協議,採用「高壓小電流」的快速充電方案,輸入功率可達 15W,不過電量達到 75% 之後功率會降低到 7.5W 左右。

小技巧:怎樣讓手機充電變得更快?

弄清楚手機快速充電的原理和類型之後,提高手機充電速度的辦法也就一目了然:

充電時少玩手機

開啟「省電模式」進行充電

選用合適的快速充電充電器

前兩點很好理解,屬於能夠小幅提升充電速度的技巧。

對於採用「高壓小電流」快速充電方案的手機,由於在手機內部存在降壓過程,會產生熱損耗,因此亮屏時通常都不會激活快速充電,以防機身過熱。

而開啟「省電模式」(iOS 稱為「低電量模式」)後,手機系統的各項功耗都會有所減少,因此充電速度也就更快。目前,Fast Charging 等號稱能夠讓充電速度變快的 App,也都是採用類似的原理——通過嚴格地控製手機的功耗,來提升手機充電速度。

事實上,選用合適的充電器,看似微不足道,卻是最影響手機充電效率的部分。

支援快速充電的 Android 手機,原裝充電器的充電速度通常都是最快的(不過也有反例存在,華為 P10 就沒有標配快速充電頭)。

如華為 Mate 10 使用標配的 HUAWEI SuperCharge 充電器,就能以「5V 4A」的低壓大電流進行充電,但如果使用其他的充電器,則無法保證快速充電效果。

如果你不確定自己手頭的充電器是否支援快速充電,也可以簡單地通過充電頭上標識的參數進行判斷:

「圓圈閃電」標識表示支援高通 Quick Charge 技術,只要你的手機搭載了高通處理器,基本上都可以用這種充電頭實現快速充電。

「輸出功率」則決定了充電速度的快慢,功率在 15W 以上的充電頭都屬於快速充電頭。一般來說功率較大的充電頭,充電速度會相對更快一些,但具體還要視機型的支援情況。

比如用小米 6 標配的充電頭,給小米 6 充電能夠以 15W 的功率進行充電,但給紅米 Note 4X(驍龍 625 版)就只能以 10W 的功率充電,雖然都屬於 Quick Charge 的範疇,但充電速度差距明顯。

至於 OPPO 採用的 VOOC 閃充方案,由於定制化程度更高,因此只有使用標配的 VOOC 充電器以及充電線才能實現 20W 功率的快速充電。

值得一提的是,手機充電的功率是由手機進行控制的,不同標準之間存在「握手協議」。充電器會自動根據手機的指令對輸入功率進行調控,因此不必擔心大功率充電器把燒毀手機的問題。反倒是大功率充電器不容易滿負載運行,因此發熱量會比小功率的充電器更小一點。

至於萬年標配 5W 慢充頭的 iPhone,建議購入蘋果官方的 12W 充電器,這也是性價比較高的 iOS 設備快速充電解決方案。

iPhone 8 / iPhone X 雖然支援快速充電,但需要額外購買蘋果官方的 29W 充電器以及 Lighting 轉 USB-C 的數據線。

如果選購 12W 的充電器,雖然輸入功率上不如 29W,但已經比 5W 的慢充頭快得多了。根據 AppleInsider 的測試,給 iPhone 8 Plus 充滿電,12W 充電器雖然比 29W 的慢了約 20 分鐘,卻足足比 5W 慢充頭快了一個小時。

此外,12W 充電器還能給舊款的 iPhone 6s、iPhone 7 充電,可以實現最高 10W 的充電功率,這也比原裝的 5W 慢充頭快多了。

在電池技術沒有大步闊進的情況下,「快速充電」對用戶體驗的確有顯著的提升。但混亂的快速充電標準、配件的兼容性問題,又成為製約「快速充電」的短板。

得等到什麼時候,Android 才能統一快速充電標準,iPhone 才會標配快速充電頭呢?

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