论文部分内容阅读
续航时间一直是智能手机之痛。受体积限制，电池容量也不能无限增加，导致手机屁股上那根数据线，几乎成为低头族的氧气管，走哪儿都得插着。充一次电用半年的核能电池我们这辈子应该是用不上了，既然续航时间无法解决，似乎可以考虑“曲线救国”的方式：如果让充电时间缩短，不也算是另一个角度的续航时间延长吗？是的，这就是高通Quick Charge技术的思路。
Quick Charge的地基
Quick Charge技术（后文简称QC）是建立在USB BC充电规范上的。
功能机时代，一般采用线性充电方式，它的输入电流与输出电流相等，当两端电压差较大的时候，就会出现功率损耗。例如充电器额定输出5V/500mA，其功率为2.5W。如果电池电压比较低，例如只有3V，由于电流恒定，则电池得到的功率只有1.5W，意味着40%的功率被损耗，还带来了发热过量的问题。高功率的线性电源成本较高，没有厂商愿意做。当然了，那个时候的手机电池容量都很低，也没人会整天玩手机，充一次电足够用三两天，所以群众没什么怨言。
早期的充电器也是专机专用，线缆和充电头一体化的设计，每个品牌的充电器接口都不一样，给用户带来很大麻烦。2006年，全球曾大规模推动手机充电器接口标准统一，当时业界的充电模式已经开始转为成本低、效率高、宽电压、大电流的开关充电模式，综合考虑供电和数据通信功能，于是USB最终成为了标准接口。我国也力推“USB连接线与充电插头分离”，由于能够节约成本，因此得到了手机厂商的积极响应。所以，我们今天拿着手机在任何地方都能充电的美好生活，并不是一开始就有的。
USB规范规定了两种输出电流规格，分别是500mA和100mA，但初衷并非是为了给电池充电，而是给键盘、麦克风之类的外设供电。这并不妨碍理工男们折腾出USB充电装置，只是通用性和充电结果无法保证。例如，如果用笔记本电脑的USB接口充电，如果电池过度拉电流，超过500mA，主板就可能进入保护状态，限制电源输出。就算电池只吸收容许的电流，但如果总线检测到USB设备一段时间没有数据活动，就会将设备挂起，这时候USB提供的电流可低至2.5mA。总之，后果就是大家都没得玩。这些限制促成了USB BC规范的出台，在充电电路里加入一个识别机制，利用USB引脚确定电源类型并最大限度利用该电源的输出电流能力。USB BC还定义了DCP专用充电端口，不需要进行枚举就能充电，这就让墙上插座或汽车点烟器也能成为供电来源。DCP可提供1.5A电流，并搭配多数USB电缆进行充电。
这个标准已经相当普遍，目前几乎所有的智能手机都采用了这个标准。QC 1.0也是采用了这个思路。现在充电头的电压都是统一的5V，但电流输出能力各不相同。QC1.0让设备的充电电路能够识别不同的电源，然后尽力吸收允许范围内的电流。
电压电流步步高
高通QC技术实际上来自2012年6月收购的加州科技公司Summit Microelectronics，这家公司主要生产用于各类移动终端的电源管理芯片。QC 1.0最高支持2A电流，意味着能提供10W的功率，更大的功率能带来更快的充电速度。并且，由于采用开关充电模式，输入输出端的电流大小可以不同。万一电池电压较低，可让电池充电电流高于输入电流，这样就使得两端功率几乎相当，降低了功率损耗。此外，QC1.0还有个优点就是用户不需要更换现有的USB线缆和充电头，堪称业界良心。
但是，10W的功率也难以满足低头族的用电需求，3000mAh的电池也要大概两小时才能充满。另一方面，人们正在拼命给除了屏幕以外的所有手机硬件瘦身，像充电口这样的部件必须是越小越好。但接口越小，会带来接触电阻的增加和散热能力的下降，除非采用超导材料，否则必然导致端口能够通过的电流降低，使得功率下降。Micro USB最大承受功率只有10W，已经不能再提高电流。另外用户使用的线缆质量也良莠不齐，即使设备内部的充电管理IC十分出色，但一根劣质线缆可能就彻底抹杀了这种优势。
为了解决这个矛盾，可以考虑提高端口电压，这就是高通QC 2.0HVDCP（高电压专用充电端口）的思路。QC 2.0将最大充电电流提高到了3A，并支持5V、9V、12V以及规划中的20V四档电压，最高功率达到60W，意味着一台高电压充电器可以适配更多设备，同时可以抵消不同线缆带来的电压损耗，从而保证充电的效率。
至于实际效果，高通官方对3300mAh的电池进行30分钟充电实验，最终结果是：QC 2.0可从0%充到60%（9V/1.67A），QC 1.0可从0%充到30%（5V/2A），传统充电只能充到12%。QC技术的优势一目了然。
今年9月，高通发布了QC 3.0技术。最大的改进就是采用了动态电压，在QC 2.0四档电压的基础上以0.2V为增量，提供从3.6V～20V的灵活选择，让手机获得最佳电压，达到预期的充电电流，从而最小化电量损失、提高充电效率并改善热表现。也正因为电压的动态调整，所以QC 3.0后期涓流充电要比之前慢20%，但减少了能量和电池损耗。
有搭载高通骁龙430/617/618/620/820处理器的手机可支持QC 3.0，但要等到2016年才能在市场上见到它们。
QC技术可向前兼容低版本，并且高通提供了完整的兼容性测试。这个测试是第三方权威机构进行评测的，测试通过的产品会得到高通的认证logo。关键是，这些技术对于所有的OEM厂商来说都是免费的。
QC技术里的黑科技
前面反复提到QC技术主要是提高了电压和电流，因为功率=电压×电流，但实现起来并不那么简单。QC 1.0还好，只提供5V电压，手机主板上的电源管理IC得到该电压就会对电池充电。而QC 2.0支持更高的电压，正常情况下，高电压可能会导致手机过压保护。所以QC 2.0提供了一个握手协议，让手机能够识别充电头是标准5V输出还是有更高的供电能力，之后再对自身做一个动态调整，以便能够承受这种高电压和电流。这便是QC技术中最基础的AICL（自动电流限制）和APSD（自动电源侦测）特性。 QC 2.0完全兼容1.0，没有更多的接口和引脚，所以还是只能在USB的D 、D-两根信号线上做文章，当然它必须手机端和充电端都支持才行。当手机充电时，充电头默认将D 和D-短路，手机端会识别成DCP模式，以默认的5V电压充电。接着双方开始握手：安卓系统的HVDCP（High Voltage Dedicated Charger Port）进程启动，并且在D 上加载0.325V的电压维持1.25秒以上。这个电压和时间被充电头检测到之后，就断开D 和D-的连接，D-的电压随之下降。当手机端检测到D-电压下降并维持1ms以上时，HVDCP进程读取安卓系统文件Voltage-max的值，根据不同的数值在D 和D-上加载不同的电压。充电头根据这些电压调整输出电压，从而完成握手识别过程。
QC 2.0除了HVDCP之外，还增加了一个平行充电机制（Parallel Charging）。虽然充电电路也具有保护措施，但为了进一步减少大电流对电池的冲击，所以让电池采用两块容量大小一致的电芯并联使用。当手机检测到充电电压为5V时进行并联充电，提供安全充电电流1C；当检测到充电电压为9V时，内部控制电路将两个并联电芯改为串联，同时切断电池对手机的供电，由充电头降压稳压后给手机供电。这样两个串联电芯的满电压为8.7V，充电功率提高了一倍，效率也提高了，但电流却保持1C不变，对电池循环次数也没有损害。
QC 3.0中，除了进一步改进、强化前面版本的功能，提升电压电流外，最重要的升级就是加入了INOV最佳电压智能协商算法，能帮助待充电设备选定最佳充电电压，以便在任意时刻实现最佳功率传输。高通表示QC 3.0能在35分钟内将手机电量从0充到80%。当然，这么激进的充电方式，现有的USB接口是无法承受的。下一代的USB Type-C将挑起这个大梁。新接口具有更苗条的身段、最高10Gb/s的传输速度和最大100W的电力传输能力。此外还能支持双向传输、双面插入，就像雷电接口那样不分正反，彻底解决“USB永远不能一次插入”的世界性难题。
高压充电的安全性
对于用户而言，关注的焦点恐怕在于QC技术是否对电池有损害。毕竟大家都听说过，慢速充电对电池最好（甚至到现在还有人认为手机电池应该先充12小时），快充则有损伤。但其实那是镍镉电池时代留下的误区，那时候的充电头都是恒流直充，输出电流简单粗暴，所谓的快速充电确实对电池有损害，甚至可能造成爆炸。能自动检测电压并调整为涓流充电的都算高端大气上档次了。
而目前手机电池的安全充电电流是1C，新型的电池已经能支持到1.5C、1.6C。一块3000mAh的电池，1.5C的电相当于充电电流不超过4500mA，这已经超过了QC技术支持的3A电流。
此外，由于手机充电端口输入的电压有5V、9V等，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。这个过程由手机内部的充电电路完成。正是有了这个变换过程，所以高电压完全不会影响到电池寿命。因为决定手机电池充电电压、电流的是预先设定好的充电程序。输入电压高—点或者低一点，只要还在电压电流变换部分允许的范围内，最后都会变换成程序预设的值。因此，QC技术并没有对手机和电池造成不安全因素。
写在最后
快速充电技术并非只有高通一家，还有OPPO VOOC、MTK Pump Express Plus、德州仪器MaxCharge、苹果20V高压充电、USB 3.1 PD等快充规范。各种快充技术减少了充电等待时间。但不论有多快，都只是治标不治本，毕竟那根“氧气管”还在持续，万一遇到找不到电源的时候，无疑会让人抓狂。改进电池材料，提升续航时间才是最彻底的方法。物理键盘的手机一去不复返，但充一次电能用好几天的手机，也许未来还会出现。
Quick Charge的地基
Quick Charge技术（后文简称QC）是建立在USB BC充电规范上的。
功能机时代，一般采用线性充电方式，它的输入电流与输出电流相等，当两端电压差较大的时候，就会出现功率损耗。例如充电器额定输出5V/500mA，其功率为2.5W。如果电池电压比较低，例如只有3V，由于电流恒定，则电池得到的功率只有1.5W，意味着40%的功率被损耗，还带来了发热过量的问题。高功率的线性电源成本较高，没有厂商愿意做。当然了，那个时候的手机电池容量都很低，也没人会整天玩手机，充一次电足够用三两天，所以群众没什么怨言。
早期的充电器也是专机专用，线缆和充电头一体化的设计，每个品牌的充电器接口都不一样，给用户带来很大麻烦。2006年，全球曾大规模推动手机充电器接口标准统一，当时业界的充电模式已经开始转为成本低、效率高、宽电压、大电流的开关充电模式，综合考虑供电和数据通信功能，于是USB最终成为了标准接口。我国也力推“USB连接线与充电插头分离”，由于能够节约成本，因此得到了手机厂商的积极响应。所以，我们今天拿着手机在任何地方都能充电的美好生活，并不是一开始就有的。
USB规范规定了两种输出电流规格，分别是500mA和100mA，但初衷并非是为了给电池充电，而是给键盘、麦克风之类的外设供电。这并不妨碍理工男们折腾出USB充电装置，只是通用性和充电结果无法保证。例如，如果用笔记本电脑的USB接口充电，如果电池过度拉电流，超过500mA，主板就可能进入保护状态，限制电源输出。就算电池只吸收容许的电流，但如果总线检测到USB设备一段时间没有数据活动，就会将设备挂起，这时候USB提供的电流可低至2.5mA。总之，后果就是大家都没得玩。这些限制促成了USB BC规范的出台，在充电电路里加入一个识别机制，利用USB引脚确定电源类型并最大限度利用该电源的输出电流能力。USB BC还定义了DCP专用充电端口，不需要进行枚举就能充电，这就让墙上插座或汽车点烟器也能成为供电来源。DCP可提供1.5A电流，并搭配多数USB电缆进行充电。
这个标准已经相当普遍，目前几乎所有的智能手机都采用了这个标准。QC 1.0也是采用了这个思路。现在充电头的电压都是统一的5V，但电流输出能力各不相同。QC1.0让设备的充电电路能够识别不同的电源，然后尽力吸收允许范围内的电流。
电压电流步步高
高通QC技术实际上来自2012年6月收购的加州科技公司Summit Microelectronics，这家公司主要生产用于各类移动终端的电源管理芯片。QC 1.0最高支持2A电流，意味着能提供10W的功率，更大的功率能带来更快的充电速度。并且，由于采用开关充电模式，输入输出端的电流大小可以不同。万一电池电压较低，可让电池充电电流高于输入电流，这样就使得两端功率几乎相当，降低了功率损耗。此外，QC1.0还有个优点就是用户不需要更换现有的USB线缆和充电头，堪称业界良心。
但是，10W的功率也难以满足低头族的用电需求，3000mAh的电池也要大概两小时才能充满。另一方面，人们正在拼命给除了屏幕以外的所有手机硬件瘦身，像充电口这样的部件必须是越小越好。但接口越小，会带来接触电阻的增加和散热能力的下降，除非采用超导材料，否则必然导致端口能够通过的电流降低，使得功率下降。Micro USB最大承受功率只有10W，已经不能再提高电流。另外用户使用的线缆质量也良莠不齐，即使设备内部的充电管理IC十分出色，但一根劣质线缆可能就彻底抹杀了这种优势。
为了解决这个矛盾，可以考虑提高端口电压，这就是高通QC 2.0HVDCP（高电压专用充电端口）的思路。QC 2.0将最大充电电流提高到了3A，并支持5V、9V、12V以及规划中的20V四档电压，最高功率达到60W，意味着一台高电压充电器可以适配更多设备，同时可以抵消不同线缆带来的电压损耗，从而保证充电的效率。
至于实际效果，高通官方对3300mAh的电池进行30分钟充电实验，最终结果是：QC 2.0可从0%充到60%（9V/1.67A），QC 1.0可从0%充到30%（5V/2A），传统充电只能充到12%。QC技术的优势一目了然。
今年9月，高通发布了QC 3.0技术。最大的改进就是采用了动态电压，在QC 2.0四档电压的基础上以0.2V为增量，提供从3.6V～20V的灵活选择，让手机获得最佳电压，达到预期的充电电流，从而最小化电量损失、提高充电效率并改善热表现。也正因为电压的动态调整，所以QC 3.0后期涓流充电要比之前慢20%，但减少了能量和电池损耗。
有搭载高通骁龙430/617/618/620/820处理器的手机可支持QC 3.0，但要等到2016年才能在市场上见到它们。
QC技术可向前兼容低版本，并且高通提供了完整的兼容性测试。这个测试是第三方权威机构进行评测的，测试通过的产品会得到高通的认证logo。关键是，这些技术对于所有的OEM厂商来说都是免费的。
QC技术里的黑科技
前面反复提到QC技术主要是提高了电压和电流，因为功率=电压×电流，但实现起来并不那么简单。QC 1.0还好，只提供5V电压，手机主板上的电源管理IC得到该电压就会对电池充电。而QC 2.0支持更高的电压，正常情况下，高电压可能会导致手机过压保护。所以QC 2.0提供了一个握手协议，让手机能够识别充电头是标准5V输出还是有更高的供电能力，之后再对自身做一个动态调整，以便能够承受这种高电压和电流。这便是QC技术中最基础的AICL（自动电流限制）和APSD（自动电源侦测）特性。 QC 2.0完全兼容1.0，没有更多的接口和引脚，所以还是只能在USB的D 、D-两根信号线上做文章，当然它必须手机端和充电端都支持才行。当手机充电时，充电头默认将D 和D-短路，手机端会识别成DCP模式，以默认的5V电压充电。接着双方开始握手：安卓系统的HVDCP（High Voltage Dedicated Charger Port）进程启动，并且在D 上加载0.325V的电压维持1.25秒以上。这个电压和时间被充电头检测到之后，就断开D 和D-的连接，D-的电压随之下降。当手机端检测到D-电压下降并维持1ms以上时，HVDCP进程读取安卓系统文件Voltage-max的值，根据不同的数值在D 和D-上加载不同的电压。充电头根据这些电压调整输出电压，从而完成握手识别过程。
QC 2.0除了HVDCP之外，还增加了一个平行充电机制（Parallel Charging）。虽然充电电路也具有保护措施，但为了进一步减少大电流对电池的冲击，所以让电池采用两块容量大小一致的电芯并联使用。当手机检测到充电电压为5V时进行并联充电，提供安全充电电流1C；当检测到充电电压为9V时，内部控制电路将两个并联电芯改为串联，同时切断电池对手机的供电，由充电头降压稳压后给手机供电。这样两个串联电芯的满电压为8.7V，充电功率提高了一倍，效率也提高了，但电流却保持1C不变，对电池循环次数也没有损害。
QC 3.0中，除了进一步改进、强化前面版本的功能，提升电压电流外，最重要的升级就是加入了INOV最佳电压智能协商算法，能帮助待充电设备选定最佳充电电压，以便在任意时刻实现最佳功率传输。高通表示QC 3.0能在35分钟内将手机电量从0充到80%。当然，这么激进的充电方式，现有的USB接口是无法承受的。下一代的USB Type-C将挑起这个大梁。新接口具有更苗条的身段、最高10Gb/s的传输速度和最大100W的电力传输能力。此外还能支持双向传输、双面插入，就像雷电接口那样不分正反，彻底解决“USB永远不能一次插入”的世界性难题。
高压充电的安全性
对于用户而言，关注的焦点恐怕在于QC技术是否对电池有损害。毕竟大家都听说过，慢速充电对电池最好（甚至到现在还有人认为手机电池应该先充12小时），快充则有损伤。但其实那是镍镉电池时代留下的误区，那时候的充电头都是恒流直充，输出电流简单粗暴，所谓的快速充电确实对电池有损害，甚至可能造成爆炸。能自动检测电压并调整为涓流充电的都算高端大气上档次了。
而目前手机电池的安全充电电流是1C，新型的电池已经能支持到1.5C、1.6C。一块3000mAh的电池，1.5C的电相当于充电电流不超过4500mA，这已经超过了QC技术支持的3A电流。
此外，由于手机充电端口输入的电压有5V、9V等，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。这个过程由手机内部的充电电路完成。正是有了这个变换过程，所以高电压完全不会影响到电池寿命。因为决定手机电池充电电压、电流的是预先设定好的充电程序。输入电压高—点或者低一点，只要还在电压电流变换部分允许的范围内，最后都会变换成程序预设的值。因此，QC技术并没有对手机和电池造成不安全因素。
写在最后
快速充电技术并非只有高通一家，还有OPPO VOOC、MTK Pump Express Plus、德州仪器MaxCharge、苹果20V高压充电、USB 3.1 PD等快充规范。各种快充技术减少了充电等待时间。但不论有多快，都只是治标不治本，毕竟那根“氧气管”还在持续，万一遇到找不到电源的时候，无疑会让人抓狂。改进电池材料，提升续航时间才是最彻底的方法。物理键盘的手机一去不复返，但充一次电能用好几天的手机，也许未来还会出现。