66W真的比60W充电更快吗?基于Charge pump Charger的快充方案分析
智能手机发展至今,充电功率和电池续航一直是人们最为关注的问题之一。
从早期的5V/1A和5V/2A的低瓦数快充,到后来的高压大电流和低压小电流两极分化,不同手机厂商都制定了自己的充电协议,如OPPO的VOOC、vivo的Flash Charge、华为的SCP/FCP、小米的Mi Charge Turbo。
USB-IF组织和电信终端产业协会也开始出面推动各种充电协议的标准统一,避免不同厂商的充电器和手机的不兼容。
近年来动态调整PPS(可编程电源)大为流行,30W以上快充纷纷采用Charger pump Charger做辅充,极大提高了充电效率。
快充充电电路从Type C充电口开始,VBUS充电路径依次经过过压保护器件(OVP芯片或MOS),主充芯片(开关Charger)并联辅充芯片(电荷泵Charger),然后到电池。
电池满电状态下,放电电压为4.2V,放完电时电池电压会降到2.5V左右。因此可以简单利用电池电压来粗略估算电池电量。
下面先介绍下快充的充电原理。
传统充电过程分为三个阶段:涓流充电、恒流充电、恒压充电。
如今的快充时代则把上面的三个阶段进行了细分。我们以TI的快充charger方案BQ25970和BQ25890为例。过程如下:
T0-T1
充电器接到手机的USB-C端口,主芯片检测电池电压,以此电压为基准来设置线缆给USB-C的充电电压,当电池电压低于3V时,主charger以VSYS_MIN/0.15A给电池涓流充电(主charger这个最低充电的电压VSYS_MIN是可以通过I2C进行修改的,范围是3V-3.7V)。
这段时间持续几秒钟。
T1-T2
当电池电压达到3V时进入恒流充电。考虑到端口到电池的线损和导通损耗,一般以VSYS_MIN+0.15V进行充电,。此时的端口供电电流可以达到2-3A,以芯片设定为准。到这个阶段一直是主charger在工作,直到电池电压上升到VSYS_MIN值(一般设置为3.5V,相当于手机电量达到5%),电池唤醒可以进行大功率充电了,这时进入恒流快充。
这段时间持续约1分钟,电池电量达到5%。
T2-T3
当VBAT>VSYS_MIN后,进入恒流快充模式,充电电压设置为VBAT+0.05V(电池的内阻一般mΩ级别,0.05V即可提供大电流)。主charger关断,打开2:1 charger pump charger,将VBUS充电电压减半,电流翻倍进行充电,此时充电电流为全过程最大。因为电池电压固定,电流才是决定电池充电快慢的主要因素,此时的充电功率达到巅峰。
这段时间大概持续5分钟,电池电量达到20%。
T3-T4
当系统检测电池电压达到4.2V时,进入恒压充电模式。为防止电池未真正充满,系统控制charger逐步降低充电电流,直到检测一段时间内电压维持在4.2V附近,此时电压不会在电流减小时下降,电流逐渐降低到快充低预警阈值IBAT_UCP_ALM后,关断charger pump charger,打开主charger。
此时电量已冲到80%左右。这段时间持续约20-30分钟,利用60W-120W的超级快充,可以把这段时间缩短1/3~2/3。
T4-T5
此时电池电压VBAT稳定在4.2V,主charger以4.25V 2A充电,检测电池电压,逐渐降低电流,直到电流降低到125mA时,完成恒压充电。
这段时间持续约20分钟。
至此充电完成。
现在主流快充主要集中在33W、44W、55W、66W四档,充电电压基本都在10V或11V,充电电流则为3A、4A、5A、6A四个挡位。为了补偿充电接口及线缆的压降,更多厂商选择11V的充电电压。但是真正传输到电池的电压最大只有4.25V,充电口也只有9V左右,因此11V和10V充电电压对实际充电影响不大,过流能力才是起决定作用的。
当效率100%没有线路损耗时,11V6A和10V6A对电池来说,充电功率是一样的。但实际器件和线路损耗使得二者电流都达不到12A,66W的充电电流比60W是要大个几十mA的,所以66W的充电功率要稍大于60W。但67W和65W/66W在实际充电过程中的区别就不那么明显了。不过在宣传时67W就是比65W/66W看起来高级,这也成为手机厂商压过对手一头的卖点。
80W~150W的有线快充普遍开始采用20V电压输入,4:1电荷泵转换,将充电电流加到4倍,的确缩短了充电时间。但是在整个充电过程中,开启电荷泵的时间一般不超过30分钟,满载充电的时间更是不到5分钟,3%的效率损失会直接转化为热,100W的快充直接产生3W的热,造成手机严重发烫,影响锂电池使用寿命。从60W提升到120W,大瓦数快充时间缩短约10分钟,在整个充电周期内提升比例约25%。
在半个多小时的充电周期内,十分钟的充电时间缩短和手机发热锂电池寿命缩短相比,值不值得,大家可以自行判断。
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