充電協(xié)議那些事

超載

如何在更短的時(shí)間內(nèi)充更多電量，就成為現(xiàn)在彌補(bǔ)電池技術(shù)不足的最好解決辦法。手機(jī)充電，基本都是以5V電壓為基準(zhǔn)，配以電流大小來決定充電的快與慢。舉例來說，以往我們的充電器多為5V1A，這個(gè)方案充滿一個(gè)4000mAh容量的電池非常緩慢——畢竟它的充電功率只有5W。后來為了進(jìn)一步增強(qiáng)充電能力，開始有廠商配備了5V1.5A乃至2A的充電器，并且手機(jī)的充電電路也做了相應(yīng)設(shè)計(jì)。只不過，即便是5V2A的充電器，充電功率也僅有10W而已，動(dòng)輒兩個(gè)小時(shí)以上的充電時(shí)間還是不能滿足生活節(jié)奏越來越快、手機(jī)使用越來越頻繁的當(dāng)下。于是，快充這個(gè)概念便應(yīng)運(yùn)而生。

充電放電 原來是這樣

手機(jī)電池目前都是以鋰電池為主，它的基本充放電原理其實(shí)是電能和化學(xué)能的互相轉(zhuǎn)換。對(duì)于鋰電池來說，它的正極鋰化合物（可以是鋰離子、也可以是鋰聚合物），負(fù)極為石墨（不是石墨烯）。在充電的時(shí)候，由于電場效應(yīng)，正極的鋰離子帶著電荷“走到”負(fù)極石墨端（路程中是穿過石墨的碳層孔）儲(chǔ)備電能;放電的時(shí)候，這些儲(chǔ)存在石墨中的電荷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，又跑向了正極（鋰離子此時(shí)是富鋰裝填），這個(gè)化學(xué)變化中會(huì)形成電流，也意味著此時(shí)電池可以開始放電了。

理論上，只要是電池中的正負(fù)極材料保持化學(xué)結(jié)構(gòu)不變，電池?zé)o論是充電還是放電都不會(huì)有任何損耗，鋰離子電池就能長時(shí)間保證充放電的循環(huán)。當(dāng)然，現(xiàn)實(shí)世界中這是不可能的（例如高溫），因此必然會(huì)發(fā)生衰竭問題。而快速充電這個(gè)功能，其實(shí)是在高電壓、電流增大時(shí)讓鋰離子“跑得更快”，這樣儲(chǔ)能充電的過程就會(huì)縮短。

然而在增大電流時(shí)電池負(fù)極的石墨表面會(huì)逐漸發(fā)生破裂（充電電流小的時(shí)候這個(gè)過程很緩慢），這些裂痕會(huì)導(dǎo)致電極材料和儲(chǔ)能的電解液相互反應(yīng)，簡單說碳孔會(huì)“越來越堵”，而且電池充電時(shí)帶來的高溫（大電流充電時(shí)溫度更高）也會(huì)影響電池內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)。如此一來，石墨的通過性（碳孔）會(huì)大為降低，電充進(jìn)來的少了，放電的時(shí)候也更加困難了——這就是電池的記憶效應(yīng)，在快充的這個(gè)“加速器”作用下，過程也會(huì)加快，因此某種程度上講，電池充放電的壽命會(huì)有所降低。

當(dāng)然，廠商在設(shè)計(jì)生產(chǎn)的時(shí)候也會(huì)針對(duì)這個(gè)問題做特別優(yōu)化設(shè)計(jì)。最為重要的是，我國國標(biāo)GB/T 31241-2017《便攜式電子產(chǎn)品用鋰離子電池和電池組 安全要求》中也規(guī)定，在環(huán)境溫度20℃±5℃的條件下，充放電循環(huán)次數(shù)必須大于500次。所以，結(jié)論是，快充確實(shí)會(huì)影響電池使用壽命，但是在國家系相關(guān)規(guī)范的要求下，電池的充放電循環(huán)次數(shù)（即壽命）不會(huì)對(duì)使用者產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。

何為充電循環(huán)次數(shù)？

充電循環(huán)次數(shù)，也就是我們俗稱的電池壽命，實(shí)際上并不是我們簡單理解的“插上充電”就算一次。重點(diǎn)就在于“循環(huán)”二字的定義。電池循環(huán)次數(shù)是以周期來計(jì)算的，在一個(gè)完整的充放電周期中，循環(huán)次數(shù)是充電周期的一個(gè)計(jì)算方式，當(dāng)電池達(dá)到了一次完整的充電周期，電池循環(huán)次數(shù)就會(huì)+1。

這里提到的充電周期，是指完整的充放電過程，當(dāng)手機(jī)的電量為0時(shí)將其充電到100%，然后再從100%時(shí)把電量儲(chǔ)能消耗至0，這就是一個(gè)完整的充電周期。當(dāng)然，我們?cè)谌粘Ｊ褂弥?，是不?huì)以這種方式充放電的。舉例來說，當(dāng)手機(jī)100%電量時(shí)開始使用，放電至25%的時(shí)候開始充電，并且將其充滿至100%，此時(shí)又開始拔下充電器開始放電使用手機(jī)，將其消耗掉25%的電量時(shí)，這才算一個(gè)完整的充放電周期。也就是說，在這個(gè)循環(huán)周期里，無論你中間插拔了多少次充電器，分幾次充電，只有總量達(dá)到100%才算一個(gè)周期，而不是根據(jù)充電次數(shù)來決定的。

日常使用快充充電的時(shí)候，也是遵循這個(gè)充放電的記錄周期，與使用普通充電器別無二致。不過這里還是提一些使用建議，不要等電量過低才充電，電池在電量剩余30%以上時(shí)充電為宜。同時(shí)，不要在還有90%以上的電量時(shí)將其充滿。另外一個(gè)重點(diǎn)是盡力保證充電溫度不要過高，比如邊充邊玩游戲這樣的操作還是少一些為好。

充電協(xié)議大亂斗

在技術(shù)變革的引領(lǐng)下，快充已經(jīng)走入了我們的生活。早期主流的快速充電方案，主要集中在兩個(gè)方向上，高電壓、低電流方案以及低電壓、高電流方案。這是基于當(dāng)時(shí)流行的手機(jī)充電接口Micro USB而生的。Micro USB是USB2.0標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)便攜版本，比部分手機(jī)使用的Mini USB接口更小，Micro USB是Mini USB的下一代規(guī)格，由USB標(biāo)準(zhǔn)化組織美國USBImplementers Forum（USB-IF）于2007年1月4日制定完成。其中，Micro USB在安全范圍內(nèi)的最大承載電流為2A。

在當(dāng)時(shí)看來這尚且不算個(gè)問題，但是隨著時(shí)間的推移，大家都注意到了這個(gè)安全規(guī)范的不足，于是第一類快充方案就由此誕生了：提高電壓，保持低電流。例如高通QC協(xié)議與聯(lián)發(fā)科PE協(xié)議就是這類快充協(xié)議的代表。而后者，低電壓、高電流的代表，正是那個(gè)時(shí)代深入人心的“充電五分鐘，通話兩小時(shí)”VOOC 閃充。OPPO 通過在線材部分增加 Micro USB 接口接觸針、采用特制充電器的辦法實(shí)現(xiàn)了大電流快充。當(dāng)然，這也一定程度上拜托了Micro USB的設(shè)計(jì)規(guī)范。

高電壓、低電流的方案有一個(gè)缺點(diǎn)，就是最終在輸入手機(jī)時(shí)，進(jìn)行變壓轉(zhuǎn)換，使得電壓可以下降到手機(jī)電池可以承受的充電電壓范圍內(nèi)（3.7V、4.2V），不過受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)，這種電壓轉(zhuǎn)換帶來的副作用就是能量損耗轉(zhuǎn)化為熱能，前面筆者也講過，高溫是電池壽命的一個(gè)重要因素。

而低電壓、大電流方案的主要缺點(diǎn)則是定制帶來的高昂成本。從手機(jī)內(nèi)部的相關(guān)元件、充電線再到充電器，全都需要“定制”。以線材為例，常見的通用充電線材只能承載3A電流，要實(shí)現(xiàn)5A大電流快充，就必須對(duì)充電線進(jìn)行改造，比如Type-C to Type-C的線纜想要承載超過3A的電流就必須加裝相應(yīng)的E-Mark芯片。

顯然，二者各有優(yōu)缺點(diǎn)，經(jīng)過幾年時(shí)間的發(fā)展，目前主流的快充，幾乎都已經(jīng)走向了高電壓、大電流的方案。能夠支撐這個(gè)設(shè)計(jì)方案的根本原因在于手機(jī)設(shè)計(jì)、零部件的技術(shù)革新。例如手機(jī)可以設(shè)計(jì)成雙電芯電池，以應(yīng)對(duì)高電壓輸入;針對(duì)高電流也有特別優(yōu)化的電池設(shè)計(jì)。而且，通過“協(xié)議”的約束，可以更好的控制充電全程，從而最大限度平衡充電時(shí)的各種問題，達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)。

說到協(xié)議，具體還細(xì)分為兩個(gè)部分，第一類是私有協(xié)議，簡單說就是廠商根據(jù)自己的設(shè)計(jì)需求定制的一套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，只針對(duì)自家產(chǎn)品，包括充電器都必須配套使用;第二類就是公有協(xié)議，所謂公共協(xié)議更多指的是來自芯片廠商甚至是USB-IF協(xié)會(huì)的方案，可供多個(gè)手機(jī)廠商使用或是兼容。

公有協(xié)議

Quick Charge協(xié)議

Quick Charge協(xié)議源自高通，簡稱QC，經(jīng)過長期發(fā)展，Q C至今已經(jīng)發(fā)展到5 .0版本。在QC2.0時(shí)，協(xié)議支持最高功率18W，到了QC 3 .0支持最高功率22W，QC4.0和QC 4.0 +最高功率都能支持到2 7 W，這二者的區(qū)別在于，QC4.0+向下兼容QC2.0和QC 3 . 0。到了目前最新的QC5.0協(xié)議，其支持100W+的功率，號(hào)稱5分鐘可以從0%充到5 0 %，充電效率提升了70%，而且還提升了安全性，可延長電池壽命，溫度也較QC 4.0低了10度。并且可以向下兼容過往的QC協(xié)議，且PD、PPS標(biāo)準(zhǔn)的電源都可以為支持QC5協(xié)議的設(shè)備快速充電。

簡單來說，QC5.0充分利用了USBPD協(xié)議，支持向下兼容QC2.0至QC4+，和前輩們相比它支持20V以上輸入電壓工作模式、支持雙充/三充技術(shù)（理論上應(yīng)該就是串聯(lián)雙電芯或串聯(lián)三電芯）、自適應(yīng)輸入電壓、第四代最佳電壓智能協(xié)商（INOV4）算法、QualcommBatterySaver電池健康管理以及全新的Qualcomm適配器功率智能識(shí)別技術(shù)。

聯(lián)發(fā)科PE協(xié)議

聯(lián)發(fā)科PE協(xié)議全稱PumpExpress Plus，早期的PE協(xié)議為典型的高電壓、低電流方案，從PE 3/4開始逐漸變?yōu)榈碗妷褐背?，同時(shí)PE協(xié)議也是最早推出低壓直充方案的快充協(xié)議之一。聯(lián)發(fā)科PE協(xié)議的特點(diǎn)是電源可以根據(jù)充電電流輸出決定初始電壓，通過手機(jī)中的PMIC控制器發(fā)出脈沖指令來反饋給電源，進(jìn)而調(diào)節(jié)充電實(shí)際輸出電壓，在原理上與高通QC協(xié)議有共通之處。此外最新的PE 4.0版本協(xié)議也符合PPS標(biāo)準(zhǔn)。

USB-PD協(xié)議

USB-PD協(xié)議全稱是USBPowerDelivery，它是目前通用性最廣的公共協(xié)議之一。目前最新的PD3.0協(xié)議相對(duì)于USBPD2.0的變化主要有三方面：增加了對(duì)設(shè)備內(nèi)置電池特性更為詳細(xì)的描述;增加了通過PD通信進(jìn)行設(shè)備軟硬件版本識(shí)別和軟件更新的功能，以及增加了數(shù)字證書及數(shù)字簽名功能。簡單來說，從充電參數(shù)上來看，USBPD3.0和USBPD2.0并沒有變化，依然是支持5V3A、9V3A、12V3A、15V3A、20V5A輸出，最大功率100W。

此后，PD3.0協(xié)議進(jìn)行了更新，全稱為PD3.0PPS，這個(gè)PPS是可編程電源（ProgrammablePowerSupply）的意思，其作用在于可以實(shí)現(xiàn)3.0V到21V的輸出電壓調(diào)節(jié)，調(diào)幅電壓為20mV，因此其可以實(shí)現(xiàn)高壓小電流以及低壓大電流兩種充電模式。需要說明的是，支持PPS的前提是支持PD3.0，但支持PD3.0并不意味著支持PPS。

私有協(xié)議

華為FCP、SCP協(xié)議

2015年，華為Mate8發(fā)布時(shí)附帶支持了18W快充的充電器，官方稱之為QuickCharge技術(shù)，協(xié)議為自有的FCP（FastChargeProtocol）。FCP采用和同期QC2.0一致的高電壓、低電流方案，但是華為設(shè)備不能被QC2.0兼容。2016年華為Mate9發(fā)布時(shí)，同時(shí)公布了SuperCharge超級(jí)快充技術(shù)，支持22.5W快充，使用自有SCP協(xié)議（SuperChargeProtocol），轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妷?、高電流的方案?020年其SuperCharge快充技術(shù)將充電功率提升至66W的水平。值得注意的是，無論是FCP還是SCP協(xié)議，它們都可以兼容PD協(xié)議，這就代表著它的兼容性頗佳。

小米ChargeTurbo協(xié)議

目前小米快充有50W、40W、30W等快充規(guī)格，最新的小米10Pro支持50W快充，而小米10至尊版支持到了120W。小米采用高通驍龍?zhí)幚砥鞯臋C(jī)型對(duì)QC快充協(xié)議具有不錯(cuò)的支持，例如小米10至尊版支持QC5.0，小米10Pro支持QC4+，而且兩者都兼容PD3.0協(xié)議。

vivo Super Flash Charge協(xié)議

vivo和iQOO采用的協(xié)議是FlashCharge和SuperFlashCharge。其最大的特設(shè)計(jì)特點(diǎn)是采用雙路電荷泵IC分離式設(shè)計(jì)，即采用了兩顆電荷泵充電IC，使其達(dá)到8A的電流峰值，這樣可以保證每顆IC都工作在 97% 的最高工作效率，同時(shí)大大降低了充電時(shí)的發(fā)熱。而且，其最新版本協(xié)議已經(jīng)突破了120W的功率，充電速度非常可觀。不過，協(xié)議雖然兼容PD充電器，但是在充電線纜方面，它們的兼容性并不是十分出色。

OPPO VOOC協(xié)議

VOOC閃充是OPPO獨(dú)立自主研發(fā)的快速充電技術(shù)，在第一代采用了VOOC閃充技術(shù)的OPPO Find 7上，3000mAh的電池充電時(shí)間只需要5分鐘即可打電話2個(gè)小時(shí)。2020年，OPPO推出了125W超級(jí)閃充（Super VOOC）方案，采用了之前提及的PPS標(biāo)準(zhǔn)（同時(shí)兼容VOOC、PD、QC 協(xié)議）。另外，一加、realme因?yàn)楹蚈PPO極為緊密的關(guān)系，正常情況下三家配件相互兼容且向下兼容。

三星AFC協(xié)議

三星也采用自己的快充協(xié)議，早期的Fast Charge技術(shù)基于AFC（Adaptive FastCharge）協(xié)議，理論功耗18W左右，不過對(duì)其他快充協(xié)議的兼容性不好。到了2019年，三星發(fā)布了Super Fast Charging技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)兼容PD 3.0協(xié)議，并支持支持45W PPS 快充。目前，三星自主協(xié)議也加入了PPS標(biāo)準(zhǔn)，意味著可以兼容PD 3.0協(xié)議的快充設(shè)備，充電的選擇余地就很大了。

顯然，無論是公有協(xié)議還是私有協(xié)議，目前大有大一統(tǒng)的趨勢，尤其是USB-IF聯(lián)盟的PPS可編程電源標(biāo)準(zhǔn)的確立，讓更多設(shè)備之間兼容成為了可能，畢竟誰也不愿意帶許多個(gè)充電設(shè)備出門，著實(shí)太過麻煩了。