LG曾做过一个调查报告,称有90%以上的人会因为手机没电感到焦虑,有41%的人会在手机低电量时错过重要电话,而17%的男性则很容易因为手机没电而失约——这种现象被称为“低电量焦虑症”(low battery anxiety)。

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(LG关于“低电量焦虑症”报告,图片来源:Dailymail)

随着手机搭载越来越多的重要功能,手机断电也成了一件大麻烦。在兼顾手机轻薄的同时,要减缓现代人的“低电量焦虑症”,那就只能尽量提高手机的充电速度了——“快速充电”(简称“快充”)技术应运而生。

包括2017年的三款新iPhone在内,主流智能手机或多或少都兼具了“快充”功能。“快充”到底是怎么一回事,怎样才能让手机充电充得更快呢?

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手机充电的原理是什么?

1991年,索尼和旭化成公司联合发布了首款商用锂电池,从此,锂电池开始被广泛用于数码3C产品当中,手机自然也不例外。爱范儿(微信号:ifanr)曾在之前的文章中提及过锂电池的工作原理:

锂电池分为正极和负极,正极是锂化合物,负极主要采用石墨材料,均浸泡在电解液当中。

无论是放电还是充电,其实都是锂离子在电池的正极与负极之间移动、电能和化学能相互转换的过程。充电时,由于电场的作用,锂离子从正极移动到负极,并存储能量;放电时,锂离子在化学反应的作用下从负极又移动到正极,此时形成电流供电。

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锂电池充电的速度,实际上就是电能转化为化学能的速率,也就是所谓“功率”(P)。简单回顾一下中学物理,众所周知:

P=IU

功率=电流×电压

电流或电压越大,功率也就越大,锂电池充电速度理应更快。但受到锂电池本身的限制,在欠压或过压的情况下充电,都会对电池产生损伤,因此锂电池的充电方式比较特殊,通常分为三个阶段:

• 恒定电流预充电(Constant Current Pre-charge Mode)

• 大电流恒定电流充电(Constant Current Regulation Mode)

• 恒定电压充电(Constant Voltage Regulation Mode)

在手机完全没电时,充电器先通过电流较小的恒定电流对锂电池进行充电,使其慢慢恢复活性;一段时间后,充电器会加大恒定电流,并逐步提高电压,这是锂电池充电的主要阶段;电池电量在80%左右时,充电器会在恒定电压下慢慢减小电流的输入,直到电流低于某个临界值,此时手机显示充满电。

这样的充电流程,一般都是由手机内置的电源管理芯片进行控制的,而充电器大部分情况下仅仅是根据电源芯片的指令进行调控而已。

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因此,如果要提升手机锂电池的充电速度,必须在“大电流恒定电流充电”阶段下功夫。

在功能机时代,手机对电池容量的要求不高,锂电池技术也不那么成熟,为了使锂电池充电趋于稳定,当时大部分厂商都遵循国家建议的低倍率充电标准“5V 0.2C”——即充电电压为5V,充电电流为0.2C(C代表代表电池充放电的速率,当电池以1C的电流充电时,1小时即可完全充满电。如果是1000mAh容量的电池,1C就是指充电电流为1A;2000mAh容量的电池,1C就是指充电电流为2A,以此类推)。

但随着智能手机时代的到来,手机对电量的需求大增,低倍率充电标准已经很难满足充电的需求。而此时锂电池技术也有了较大的发展,稳定性更好,充放电的耐受性也有所提升,“快充”开始登上舞台。

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什么是“快充”?

本质上,“快充”就是一种在合理范围内提高手机充电功率的技术,旨在为手机迅速补充大部分的电量。由于功率与电压和电流的大小有关,目前“快充”主要分为以下两种方案:

• 高压小电流

• 低压大电流

“快充”是一整套的充电解决方案,需要手机内置的电源管理芯片、充电线、充电器三部分共同协调,缺一不可。

iPhone就是一个典型的反例。尽管iPhone 8、iPhone X都已经支持快充,但配套的充电头却是“5V 1A”的规格,满负荷时功率也仅仅只有5W,充电效率极低。

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早在2013年,高通就意识到了“快充”对智能手机的重要性,当时就推出了Quick Charge 1.0标准,通过提高输入电流来提高充电效率,让搭载骁龙600处理器的手机支持“5V 2A”充电。

但由于micro USB接口的限制,超过2A的电流很可能会造成损毁的情况,于是高通又想到了另一套解决方案——提高接口的电压。在把输入电流限制在2A以内的情况下,通过提高供电电压,同样可以达到提升功率的效果。

经过不断地改进,高通的Quick Charge 2.0/3.0可以实现“9V 2A”,也就是以最高18W的功率进行充电。

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(高通Quick Charge的演进,图片来源:Anand Tech)

“高压小电流”快充方案启发了不少同行,联发科的Pump Express Plus 1.0/2.0、三星的Fast Charge、魅族的mCharge 3.0都是类似的解决方案。

不过,在高电压输入手机之后会有一个降压过程,此时手机内部会产生热损耗,导致发热严重。因此,不少采用这套方案的手机在亮屏时都不会激活快充,以防机身过热。

此外,由于厂商之间存在竞争关系,因此尽管快充实现原理相似,但彼此之间存在兼容性问题,因此要提升充电效率,首要的是选择兼容性好的充电器。

2014年,搭载VOOC闪充的OPPO Find 7横空出世,充电功率达到惊人的22W。随着OPPO手机的热卖,“充电五分钟,通话两小时”的广告词也深入人心,消费者开始认识到“快充”的意义。

VOOC闪充的快充原理就是“低压大电流”策略。

由于micro USB接口限制了输入电流的大小,因此OPPO干脆将整套充电系统进行定制——充电器、充电线、手机内部电路都进行改造,并采用电池多线路充电的方法,使得VOOC闪存能够以“5V 4A”进行充电。

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(VOOC闪充充电器)

VOOC闪存的好处在于,把充电过程中的发热组件基本都设置在充电器里,在实现快充的同时手机不至于过热。但缺点也比较明显,一是得配合VOOC闪充充电器、充电线才能使用,二是整套解决方案成本较高,搭载VOOC闪充的手机价格都不会太便宜。

归根结底,手机快充的症结所在,就是那个小小的micro USB接口——你可能也注意到了,近年来搭载USB-C接口(全称USB Type-C)的手机越来越多,实际上这就是手机接口革命的前兆。USB-C可以说是未来接口标准的一个交点,有以下几个重要特性:

• 支持正反插拔

• 兼容USB 3.1标准,最快支持10Gbit/s传输

• 支持USB Power Delivery充电协议,最大可以提供100W的电力,并且可双向供电

• 支持DisplayPort,可以输出音频与视频

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(USB-C接口的好处,图片来源:LinkedIn)

目前USB-C最典型的应用,其实就在任天堂年初发售的新主机Switch上。仅靠USB-C接口,Switch就实现了正反插拔、主机供电、游戏输出等功能,让Switch能在掌机和主机之间自由切换。这也是为什么新MacBook、MacBook Pro都只采用Thunderbolt 3接口的原因(外观与USB-C相同,功能上兼容USB 3.1)。

USB-C支持USB Power Delivery充电协议(简称为PD充电协议),得以让手机充电的输入电流、电压都有所突破,最高可达“20V 5A”。

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(新MacBook Pro搭载了四个USB-C接口)

现阶段,USB-C还处在一个过渡期,并不是所有采用USB-C接口的手机功能都兼容USB 3.1标准、采用PD充电协议,但根据充电头网的消息,新标准或将于12月份公布,届时,手机市场也许会迎来快充新秩序。

此外,2017年发布的三款新iPhone也都支持PD充电协议,采用“高压小电流”的快充方案,输入功率可达15W,不过电量达到75%之后功率会降低到7.5W左右。

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(iPhone 8 Plus快充实测,图片来源:@李小白nemo)

小技巧:怎样让手机充电变得更快?

弄清楚手机快充的原理和类型之后,提高手机充电速度的办法也就一目了然:

• 充电时少玩手机

• 开启“省电模式”进行充电

• 选用合适的快充充电器

前两点很好理解,属于能够小幅提升充电速度的技巧。

对于采用“高压小电流”快充方案的手机,由于在手机内部存在降压过程,会产生热损耗,因此亮屏时通常都不会激活快充,以防机身过热。

而开启“省电模式”(iOS称为“低电量模式”)后,手机系统的各项功耗都会有所减少,因此充电速度也就更快。目前,Fast Charging等号称能够让充电速度变快的App,也都是采用类似的原理——通过严格地控制手机的功耗,来提升手机充电速度。

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(iPhone的“低电量模式”开关)

事实上,选用合适的充电器,看似微不足道,却是最影响手机充电效率的部分。

支持快充的Android手机,原装充电器的充电速度通常都是最快的。如华为Mate 10使用标配的HUAWEI SuperCharge充电器,就能以“5V 4A”的低压大电流进行充电,但如果使用其他的充电器,则无法保证快充效果。

如果你不确定自己手头的充电器是否支持快充,也可以简单地通过充电头上标识的参数进行判断:

“圆圈闪电”标识表示支持高通Quick Charge技术,只要你的手机搭载了高通处理器,基本上都可以用这种充电头实现快充。

“输出功率”则决定了充电速度的快慢,功率在15W以上的充电头都属于快充头。一般来说功率较大的充电头,充电速度会相对更快一些,但具体还要视机型的支持情况。

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比如用小米6标配的充电头,给小米6充电能够以15W的功率进行充电,但给红米Note 4X(骁龙625版)就只能以10W的功率充电,虽然都属于Quick Charge的范畴,但充电速度差距明显。

至于OPPO采用的VOOC闪充方案,由于定制化程度更高,因此只有使用标配的VOOC充电器以及充电线才能实现20W功率的快充。

值得一提的是,手机充电的功率是由手机进行控制的,不同标准之间存在“握手协议”。充电器会自动根据手机的指令对输入功率进行调控,因此不必担心大功率充电器把烧毁手机的问题。反倒是大功率充电器不容易满负载运行,因此发热量会比小功率的充电器更小一点。

至于万年标配5W慢充头的iPhone,建议购入苹果官方的12W充电器,这也是性价比较高的iOS设备快充解决方案。

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iPhone 8 / iPhone X虽然支持快充,但需要额外购买苹果官方的29W充电器以及Lighting转USB-C的数据线,二者分别为388元和188元,也就是你要多花576元才能使用29W的充电头。

如果选购149元的12W的充电器,虽然输入功率上不如29W,但已经比5W的慢充头快得多了。根据AppleInsider的测试,给iPhone 8 Plus充满电,12W充电器虽然比29W的慢了约20分钟,却足足比5W慢充头快了一个小时。

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(iPhone 8 Plus充电测试,图片来源:AppleInsider)

此外,12W充电器还能给旧款的iPhone 6s、iPhone 7充电,可以实现最高10W的充电功率,这也比原装的5W慢充头快多了。

在电池技术没有大步阔进的情况下,“快充”对用户体验的确有显著的提升。但混乱的快充标准、配件的兼容性问题,又成为制约“快充”的短板。

得等到什么时候,Android才能统一快充标准,iPhone才会标配快充头呢?

(文章转载自爱范儿)