手机快充技术全面来袭，该如何选择合适的充电方案
随着智能手机的普及和用户对手机使用续航时间需求的提高，在受限于锂电池技术无法取得突破而做大能量密度的情况下，智能手机电池快速充电技术使用户在短时间内快速补充电量，从而使手机的续航时间得与延长，比如半小时内可以充满75%的电量，让用户轻松获得足够电池电量。
当快冲技术全面来袭，我们该如何为产品选择合适的充电方案？是摆在产品设计师和产品经理面前的一道命题。悉数市面上的产品，快充技术大致有四种，即高通的QuickCharge版（如QC2.0、QC3.0），联发科版（Pump Express和Pump Express plus），OPPO 的VOOC，以及TI的Maxcharge(实际上它同时兼容了高通QC2.0版和联发科Pump Express协议)。也有人说快充技术是5种、6种、甚至7种，但在目前也就上面这四种，是在原有USB 5V充电技术上有所突破的技术，具体请看文章后面的详细解释。常规USB 5V充电技术的瓶颈，充电环路示意图如图-1，充电环路阻抗约0.32Ω，那对于4.2V和4.35V电池最大充电电流有以下公式： (5-4.2)/0.32=2.5A (5V input source, Battery CV=4.2V) (5-4.35)/0.32=2.03A. (5V input source,Battery CV=4.35V）
因此，手机的常规充电方式，无法再提高充电电流，不能满足现在手机电池越来越大后，对大充电电流的要求。
一、高通QC版快充技术
这是一个市面上采用较多的快充技术，小米4C，小米note，三星等主流品牌均在采用此充电技术。这与目前高端智能手机所采用的平台有相当关系。另外，这种技术相对简单，实现起来相对容易，成本提升不明显，市场较容易接受。高通QC充电技术有两个版本，分别是QC2.0和QC3.0，现在QC3.0的手机还很少，普遍还是QC2.0。
快充技术的原理，通过USB端口的D+与D-的不同电压给合，来向充电器申请相应的输出电压供手机充电。QC2.0并不是简单的D+与D-的组合就可以让充电器输出所需的电压，而是还有一些协议在里面，需要先发送握手信号，比如1.5s的握手电压组合，才能进行下一步的输出，否则，直接按图-4将D+与D-电平设置好是不会改变充电器的输出电压的，这也是为了更好的保护非QC2.0技术的手机，不会因为误触发了充电器的升压机制而烧毁手机，图3是QC2.0充电器原理图的调压部分。
高通QC2.0 握手协议：快充的充电器与手机通过micro USB接口中间两线（D+D-）上加载电压来进行通讯，调节QC2.0的输出电压。握手过程如下：当将充电器端通过数据线连到手机上时，充电器默认通过 MOS让D+D-短接，手机端探测到充电器类型为DCP（专用充电端口模式）。此时输出电压为5v，手机正常充电。 若手机支持QC2.0快速充电协议，则Android用户空间的HVDCP进程将会启动，开始在D+上加载0.325V的电压。当这个电压维持1.5s 后，充电器将断开D+和D-的短接， D-上的电压将会下降；手机端检测到D-上的电压下降后，HVDCP获取手机预设的充电器电压值，比如 9V，则设置D+上的电压为3.3V，D-上 的电压为0.6V，充电器输出9v电压。快充技术的优点是，很好地解决常规手机充电电流的限制，由于充电器输出电压的提高，手机充电环路的阻抗限制的充电电流的问题得到了很好地解决，缺点是，效率仍不是很高，在手机端发热量还比较大。随着高通QC3.0的发布，很好的弥补了QC2.0效率偏低的问题。充电速度是传统充电方式的四倍，是Quick Charge 1.0的两倍，比Quick Charge 2.0充电效率高38%。Quick Charge 3.0采用最佳电压智能协商（INOV）算法，可以根据掌上终端确定需要的功率，在任意时刻实现最佳功率传输，同时实现效率最大化。另外，其电压选项范围更宽，移动终端可动态调整到其支持的最佳电压水平。具体来说，Quick Charge 3.0支持更细化的电压选择：以200mV增量为一档，提供从3.6V到20V电压的灵活选择。这样，你的手机可以从数十种功率水平中选择最适合的一档。
二、联发科Pump Express快充技术
与高通QC2.0虽在实现方式上有所不同，却有异曲同工之妙。高通QC2.0是通过USB端口的D+和D-来个信号实现调压，而联发科的Pump Express快充技术，是通过USB端口的VBUS来向充电器通讯并申请相应的输出电压的。QC2.0是通过配置D+和D-电压的方式来通讯，Pump Express是通过VBUS上的电流脉冲来通讯，但最终的目的是提升充电器的电压到5V，7V，9V。快充技术的VBUS电流与VBUS电压波形如图-5：
快充技术充电器原理图，及原理简介
快充技术的优点，与QC2.0相似，由于提高了充电器的输出电压，解决了充电电流的限制。同时缺点也与QC2.0类似，由于充电器的调压档跨度比较大，带来手机端充电路效率偏低。于是，MTK Pump Express Plus快充技术随之诞生，Pump Express Plus技术与高通QC3.0类似，增加了调压档数，每档200mV。手机可以根据电池当前电压以及充电环路衰减，向充电器申请合适的电压，以达到以电效率的最大化，以进一步降低手机在充电过程中的发热量。
三、OPPO VOOC闪充技术
OPPO称自己研发的快充技术为“ VOOC闪充技术“，也是最神秘的快充技术，目前只有OPPO的几款产品在用，即Find 7和N3等，由于OPPO对此技术有专利限制，其它手机厂商只能叹为观止，且成本相对较高，充电器体积较大，便携方面没有其它快充技术的好。OPPO的VOOC闪充技术与传统充电最大的区别在于，创新性的将充电控制电路移植到了适配器端，也就是将最大的发热源 移植到了适配器。这样控制电路在适配器，而被充电的电池在手机端，充电时手机发热得以很好的解决。为了更好的对充电流程进行控制 (比如控制电路需要实时监测电池电压、温度等)，OPPO特别在适配器端加入了智能控制芯片MCU，适配器端实现了充电控制电路，智能控制充电的整个流程。闪充技术的官方宣传图片：
8个触点的电池
大个头的充电器
四、TI的maxcharge技术
TI的maxcharge技术是将高通QC2.0和联发科的Pump Express，以及TI自身的高性能充电管理做了一次整合，比较有代表性的方案有BQ25895，其最大充电电流可达5A，最大输入电压14V，可以很好地支持QC2.0和Pump Express标准的充电器。我们对TI提供的BQ25890 demo板实测，在4A充电时，芯片温度达55度左右（在环境温度25度下测试），差不多有30度的温升，这如果放在手机内部，将会是一个重要的热源。TI的maxcharge充电芯片的简易原理图，
TI的maxcharge充电芯片的简易原理图
BQ25890 Demo板实测TI的maxcharge充电技术的优点，由于同时兼容高通QC2.0和联发科Pump Express技术，因此也就同时具备了QC2.0和联发科Pump Express的优化点。它缺点也和高通与联发科一样，整体的效率还不是很高，因此发热量较大。鉴于手机充电部分的发热问题，短时间QC3.0和Pump Express plus还未普及，那么我们是否还有其它方案来减小手机充电发热量呢？答案是肯定的。我们用两颗充电芯片同时对一颗电池进行充电，可以减少单独充电芯片的发热量。图-12是双充电芯片原理图，图-13是BQ25890+BQ25896双Demo实测，设置两颗充电芯片的充电电流都为2A，总共4A对电池充电，充电30分钟后，测到两个芯片的温度分别为42度和40度，室温为25度，芯片温升分别为17度和15度，比单芯片充电方案的温升降低了一半。因此，双充电芯片方案对提高充电效率，减少手机充电发热方面具有很大的优势。
双充电芯片原理图
BQ25890+BQ25896双Demo充电实测
充电过程曲线
五、充电方案的选择
面对上述充电方案，我们要如何选择呢？成本，效率，发热量，便携性，专利，等均需要考虑。首先，OPPO的VOOC闪充技术在成本，以及充电器便携性方面肯定是不占优势，加之其有专利方面的限制，其它厂商在没有获得OPPO授权的情况下，不可能采用此方案。高通和联发科虽然各自也有专利，但暂时还未向使用者收费，且在成本与充电器便携性方面更具有优势，我们不难看出，在接下来的一段时间里，快充方案的选用方面，TI芯片将具体更灵活的选择性。电池在快充技术发展过程中，起着举足轻重的作用，电池充电倍率的高低，直接影响充电的速度。目前手机上常用的电池充电倍率有：0.5C，0.75C，1C，1.5C等。比如一个电池只有1000mAh的项目，客户要求支持快充，这时我们需要分析，客户要求支持快充的目的是什么？只是要有这个噱头？还是需要缩短充电时间？如果是前者，那只需要硬着头皮加上快充方案即可，其本质和不带快充的方案没有多大差别（除了成本有所提高），如QC2.0在9V时可输出1.5A以上，电池端的电流可以达到2.5A以上，对于1000mAh的电池来说，如果是目前较好的手机高倍率电池1.5C，也只需要1.5A的充电电流，那么换算到充电器端，充电器只需要在9V电压时输出0.75A左右即可，如果在5V电压时，则只需要输出1.4A左右也能满足，因此，这个项目只需要选择更高倍率的电池即可，而不需要采用快充技术，亦能满足项目对充电的需求。若一个项目的电池是4000mAh，2A充电电流仅为0.5C，如果采用3A的快充方案，也只能达到0.75C，充电时长约需约2.5小时，如果是支持1C充电的电池，采用4A充电，则充电时间可缩短到约1.5小时。电池充电倍率与充电时间的大致关系如下表：
以上是我们对当前快充方案和双充电IC的总结，总而言之快充方案的选择，是一个综合性的技术方案选择，它具有水桶效应。我们要根据项目需求，合理地选择，希望以上的技术分析内容，能够给未做过快充方案的同行工程师一些参考信息，同时也希望看到更多的工程师能在快充技术上取得新的进展，给手机用户更好的体验。
