QC快充到底傷不傷電池？

手機的體驗好壞受到很多因素的影響。其中一點(diǎn)就是能量問(wèn)題。手機的能量來(lái)自于電池，電池性能直接影響手機的使用時(shí)間。除了電池性能本身，手機的使用方式也影響手機電池性能對手機體驗的影響。

10年前常見(jiàn)的諾基亞智能機或MTK功能機，1000mAh左右的電池足以保證這些手機一天以上的使用。300-500mA的充電電流足以讓這些手機以較為合理的速度充電。采用標準的USB供電或者專(zhuān)用線(xiàn)充已經(jīng)能夠滿(mǎn)足這些手機充電的需求。

5年前， Windows Mobile智能機和早期安卓智能機，電池容量增加到了1500mAh左右。這時(shí)出現了USB BC1.1協(xié)議，提供了DCP(專(zhuān)用充電端口模式)利用USB的數據引腳對充電器進(jìn)行識別和區分，從而將標準USB端口的500mA電流擴展到1.5A，滿(mǎn)足了這些設備的充電需求。

時(shí)代在變遷，大屏幕的智能手機的耗電達到了一個(gè)新的高度。人對于手機的依賴(lài)程度也遠遠超過(guò)了10年前。如今，手機已經(jīng)成為人與世界溝通(包括但不限于上網(wǎng)、通話(huà))，與自己內心溝通(包括游戲等)的工具。手機實(shí)際使用的時(shí)間比率大大提高了。這對手機電池能量提出了極高的要求。同時(shí)手機設計趨向輕薄，不支持快速更換電池，能量輸入完全依賴(lài)充電、數據端口來(lái)進(jìn)行。

然而，手機的充電端口大小非但沒(méi)有任何增加，反而朝著(zhù)不斷微型化的方向發(fā)展。端口電接觸面積的減小，隨之而來(lái)的是接觸電阻的增加和散熱能力的下降，這使得端口能夠通過(guò)的電流降低。

端口的輸入功率=輸入電壓 x 輸入電流。由此可知，端口電流容量降低與端口輸入功率的提高之間的矛盾，可以通過(guò)提高端口輸入電壓來(lái)解決，這就是高通QC2.0/3.0 HVDCP(高電壓專(zhuān)用充電端口)誕生的初衷。值得一提的是，USB 3.1 PD和MTK PUMPEXPRESS PLUS也運用了同樣的解決方法。

原理淺析

在談及QC快充的硬件實(shí)現之前，我想提一提我前一段時(shí)間在網(wǎng)上看到的關(guān)于QC快充的評論。有不少文章有這么一個(gè)說(shuō)法：QC所采用的高電壓充電對于手機電池有害。在我看來(lái)，這種說(shuō)法的存在正是由于對手機內電路如何完成電池充電過(guò)程的不了解造成的。因此，下面的這個(gè)部分不僅介紹QC如何由硬件實(shí)現，也介紹其他手機如何完成電池充電。

手機機內的電池充電電路，按功能可以分為兩個(gè)部分加以介紹(但不代表這兩個(gè)部分在物理上是分離的，事實(shí)上，兩個(gè)電路常在同一個(gè)集成電路中實(shí)現)。

1、測量-反饋控制部分

負責監測電池充電的關(guān)鍵參數(例如電池充電電流、電池當前電壓、電池溫度)，根據預先設定好的電池充電算法，調節如充電電流等參數，或者關(guān)斷充電。手機充電電路的測量和反饋控制部分，通?？梢酝ㄟ^(guò)軟件編程來(lái)調節某些參數。甚至有些手機充電的測量、反饋控制部分大部分功能都是由軟件來(lái)完成。大多數手機對鋰電池充電的控制算法都是基于恒流——恒壓過(guò)程或者其變種。恒流恒壓充電的過(guò)程，大體上是這樣的，首先在電池低于其充電限制電壓(以往手機是4.2v，現在常見(jiàn)4.35V，偶見(jiàn)4.40V)時(shí)，以一個(gè)恒定電流對電池充電。

這個(gè)恒定電流的大小與電池容量的比值(稱(chēng)為充電電流倍率)與手機電池充電速度關(guān)系密切。要提高手機的充電速度，提高充電電流倍率是一個(gè)有效的手段。但是手機電池對充電電流倍率的接受能力有限，過(guò)大的充電電流倍率會(huì )導致手機電池的循環(huán)衰減增加，甚至有可能導致電池安全問(wèn)題。目前大多數手機電池可以接受0.5-1倍的充電電流倍率。比如對3000mAh的手機電池，0.5-1倍的充電電流倍率就對應著(zhù)1500mA-3000mA的充電電流。通過(guò)優(yōu)化電池結構和配方，可以讓電池接受更大的充電電流倍率。就目前的情況來(lái)看，手機電池的充電電流倍率上限通常不是手機充電速度的瓶頸。

當電池通過(guò)恒定電流充電達到電池的充電限制電壓后，通過(guò)逐漸減小充電電流來(lái)維持這個(gè)充電限制電壓不變。因為鋰離子電池電壓除了隨電池充滿(mǎn)度提高而上升外，充電電流越大，電池的電壓也越高，因此在充滿(mǎn)度不斷提高的情況下，減小充電電流可以讓電池電壓維持恒定，這就是恒壓過(guò)程。當充電電流減小到預定值后，充電電流會(huì )關(guān)斷，充電即告完成。

2、電壓電流變換部分

這部分電路的功能是將從手機充電端口得到的電能，在測量、反饋控制部分的控制下，轉換為電池的充電電流。由于手機充電端口輸入的電壓通常是5V、9V之類(lèi)的電壓，與電池電壓(3.0V-4.35V，隨電量和充電電流發(fā)生變化)并不匹配，因此需要進(jìn)行變換。正是由于這個(gè)變換過(guò)程，高電壓充電影響電池壽命這個(gè)說(shuō)法才是非?；闹嚨?。因為決定手機電池充電電壓、電流的是測量、反饋控制部分預先設定好的充電程序。輸入電壓高一點(diǎn)或者低一點(diǎn)，只要還在電壓電流變換部分允許的范圍內，都會(huì )由電壓電流變換部分變換成程序設定好的值。

電壓電流變換電路的類(lèi)型，有以下三種：

(1)線(xiàn)性變換電路。

其實(shí)質(zhì)，是一個(gè)由測量、反饋控制部分調控的可變電阻。通過(guò)電阻將充電器電壓高于電池電壓的部分，通過(guò)發(fā)熱的形式消耗掉。舉例說(shuō)明，比如當充電端口輸入的電壓是5V，電池電壓是3.7V，需要1000mA的充電電流。那么讓可變電阻的阻值剛好為1.3Ω即可滿(mǎn)足。這個(gè)可變電阻的阻值只要能夠不斷變化，就能夠完成恒流恒壓的全過(guò)程。由基爾霍夫定律可知，這個(gè)電路的輸入電流等于輸出電流。因此，提高輸入電壓對于這個(gè)電路來(lái)說(shuō)，只會(huì )使更多的輸入功率通過(guò)電阻耗散掉，而不會(huì )提高電池的充電功率。此外，這個(gè)電路的發(fā)熱功率是(輸入電壓-電池電壓)×充電電流。當充電電流很大的時(shí)候，發(fā)熱功率也很大。因此，這種電路不適用于現在需要大電流充電且空間有限的手機充電。 這也就是高壓快充發(fā)熱大，部分手機廠(chǎng)商開(kāi)始采用低壓大電流快充的原因。

線(xiàn)性變換電路

(2)開(kāi)關(guān)變換電路。

這種電路的結構圖如下圖所示。利用高速開(kāi)關(guān)的S1(通常由MOSFET來(lái)實(shí)現)和電感來(lái)使輸入電壓降低到電池電壓。并在測量、反饋控制部分調控下控制充電電流。這個(gè)電路的輸出電流和電壓與輸入電流和電壓的關(guān)系可以能量守恒定律求得：輸入電壓×輸入電流×效率=輸出電壓×輸出電流?，F在新型手機中，這個(gè)效率可以達到90%以上。正是利用了這種開(kāi)關(guān)變換電路，QC2.0能將輸入的高電壓和較小的電流轉換為電池的電壓和較大的充電電流。

開(kāi)關(guān)變換電路

舉例說(shuō)明：電池電壓為3.7V。需要2A電池充電電流。充電電路效率90%，忽略其他電阻造成的壓降。輸入端口電壓為9.0V，則輸入端口通過(guò)的電流需要：3.7V*2.0A/90%/9.0V=0.91A，可見(jiàn)QC快充通過(guò)提高輸入電壓確實(shí)能夠有效降低輸入端口的電流。

(3)將恒流電路置于專(zhuān)用充電器的設計

這種電路可見(jiàn)于早期的小靈通、摩托羅拉某些型號智能機中。Oppo的VOOC超快充電也可能采用了這種設計。其原理是將恒流電路置于專(zhuān)用的恒流充電器中而非手機內。手機內僅有控制電路通斷的電子開(kāi)關(guān)(MOSFET)。當開(kāi)關(guān)接通后，充電器直接與電池連接，依靠充電器中電路來(lái)調節輸出電壓和控制充電電流。當然，充滿(mǎn)停充的功能由手機內部電路控制電子開(kāi)關(guān)完成。這么做的優(yōu)點(diǎn)在于手機內電路較為簡(jiǎn)單，且不需要在手機內部發(fā)熱消耗多余的電壓。缺點(diǎn)是需要專(zhuān)用充電器。(當年MOTO采用這種設計的智能機若是改用較大電流的USB充電器，就會(huì )燒壞內部電子開(kāi)關(guān)，造成手機故障)

3、高通QC 握手協(xié)議

QC 快充的充電器與手機通過(guò)micro USB接口中間兩線(xiàn)(D+D-)上加載電壓來(lái)進(jìn)行通訊，調節QC的輸出電壓。握手過(guò)程如下：當將充電器端通過(guò)數據線(xiàn)連到手機上時(shí)，充電器默認通過(guò)MOS讓D+D-短接，手機端探測到充電器類(lèi)型為DCP(專(zhuān)用充電端口模式)。此時(shí)輸出電壓為5V，手機正常充電。 若手機支持QC2.0快速充電協(xié)議，則Android用戶(hù)空間的hvdcp進(jìn)程將會(huì )啟動(dòng)，開(kāi)始在D+上加載0.325V的電壓。當這個(gè)電壓維持1.25s后，充電器將斷開(kāi)D+和D-的短接， D-上的電壓將會(huì )下降;手機端檢測到D-上的電壓下降后，hvdcp讀取/sys/class/power_supply/usb/voltage_max的值，如果是9000000(mV)，設置D+上的電壓為3.3V，D-上 的電壓為0.6V，充電器輸出9v電壓。若為5000000(mV)設置D+為0.6V，D-為0V，充電器輸出5V電壓。

4、QC充電實(shí)戰

這里我們使用的是USB表，直觀(guān)測試QC2.0充電器電壓識別改變過(guò)程。插入USB接口可以檢測到用于偵測QC2.0信號的D+ D-電壓，同時(shí)還能顯示輸入輸出的電壓、電流。內置庫侖計，精度可達萬(wàn)用表級別。

開(kāi)機通電，插手機之前：DCP模式，只不過(guò)有下拉電阻存在所以電壓比較低，但兩路電壓基本相同。

開(kāi)機通電，插手機之前為DCP模式

插入手機后的一瞬間，手機會(huì )在D+上加0.6V的檢測電壓，因為此時(shí)D+D-短路的所以D-電壓也跟隨變高。

插入手機一瞬間

D+上的申請電壓維持超過(guò)1.25秒后，充電器會(huì )把D+和D-的短路斷開(kāi)，D-變成0，D+還是手機給的識別電壓。

D+、D-斷開(kāi)

手機檢測到D-變成0，說(shuō)明充電器支持QC2.0，發(fā)送改變電壓的申請。

D-變?yōu)?，電壓升高

至于充電器輸出多少電壓給手機，參看這個(gè)表格。需要留意的是，所有0.6V代表0.325-2.000V ，所有3.3V代表大于2.000V，在此范圍內即可正確申請QC2.0握手協(xié)議。