捋一捋手机充电的演变手机充电口演变 _小知识

前些天看到OPPO要出240W快充的手机了。不由的感慨手机真是神奇的行业，带动了让我一度认为是极度枯燥的电源行业玩出了各种花样。[泪奔] 。我也觉得是时候捋一捋手机充电是怎么一步步走到现在这个状态的。
说起手机充电，曾今的IPhone6S 让我有深深的用电恐慌，走到哪都要带个移动电源。估计很多老版本IPhone用户有相同的感觉。想要解决这个问题，第一个想到的方案肯定是加大手机的电池容量。但是电池的能量密度地提升并未跟上手机能耗的需求。

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电池性能曲线与能耗需求曲线严重脱轨
而降低充电的等待时间，成为合理的折中方案。如何提高充电速度呢。锂电池电化学特性决定了充电电压：3V
捋一捋手机充电的演变手机充电口演变

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电池充电曲线
由于手机市场巨大，且快充的功能需要线材，充电器，以及快充协议芯片的配合。众人拾柴火焰高，整个行业就这样被带动起来。

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充电器，充电线，手机协议，充电管理，高C电池一起发展

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【捋一捋手机充电的演变手机充电口演变】手机的历史出货量

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手机快充带动的产业
线材的变化比较直观，按两条路径演化。

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苹果手机的充电线演化

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非苹果手机的充电线演化

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带线充电器的演化
充电协议一直是私有协议（国内手机厂)和标准协议（USB IF 和Qualcomm）并轨的发展。

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国内手机的协议基本是闭环的生态系统，各玩各的。而USB IF 的PD(Power Delivery)和Qualcomm 的QC(Quick Charger)协议，显然有更多的企图。

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2021年，中国开始有发布自己的充电标准。希望它能尽快落地实施。
而充电器及手机的充电管理的变化就需要统一来看了。回到最早期的功能手机。基本上给它供5V的电就可以充电了。那时候功能少，充一次用一个星期，所以对充电时间并没有太多要求。充电器或者电脑都可以用来供手机电，手机里的充电管理芯片使用线性的工作模式就可以。因为损耗太小，手机并不发热。Ploss Max =(5V- 4.2V)* 0.9A = 0.72W Max

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之后，USB IF的BC1.2普及，使用充电器可以实现比电脑USB接口更大的充电电池流，充电电流可上升到1.5A 。充电器除了本身功率略上升外，最大的改动是将USB接口的D+,D-线短接在一起，以实现让手机实别这个充电器支持BC1.2的标准。而手机端由于充电电流的上升，原线性的充电管理芯片已经不适用。需要使用效率更好的开关式充电管理芯片。

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而这个时候苹果并没有按BC1.2的要求走，它给出来自己的接口充电能力的实别方式。

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而对于充电器来说，使用电阻分压的方式在D+/D-上实现实别需要的对应电压要求是最经济的做法。

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2.4A对于原USB A 转Micro USB B的线来说，已经到了极限。需要再提高充电功率，市场走出了两条不同的路线。
QC的做法是提高电压到9V，这样使用原USB A 转Micro USB B的线材就可以实现18W（9V*2A)的功率。缺点是手机充电管理芯片的效率减低，发热量增加。

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而OPPO用一句“充电5分钟，通话两小时”的经典广告词带来了另一个种更高效的充电方式。OPPO定制了充电器和充电线，让线材可以支持4A的充电电流，同时降低了充电电压（4.5V）提高了充电管理芯片的效率。缺点就是成本增加了。

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以上的两种快速充电的方式已经使用到了协议芯片。在充电器的这端的协议，我们称它为Source协议芯片。而在手机端的协议芯片，我们称他为Sink 。两个协议接通后，会完成握手的动作。Quick charger的协议握手流程如下：

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对应的波形图：

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这个时候的PD并没有太被手机厂商接受。但很快就发生了改变。随着PD3.0的标准发布，同时带来别一个重磅的接口：USB Type C 。USB Type C 支持正反插，支持最大5A的电流，支持高速信号传输。大有干掉所有其它如HDMI，USB B，VGA等一系列接口的趋势。
PD和其它快充协议在实现在存大很多的不同。首先，Vbus电压在没有实现协议握手前，是没有电压的。其次，也更重要。它使用Type C 的CC1，CC2口通讯，手机和充电器都有两个PIN脚，但充电线上只有一条CC线。手机和充电器使用半双工的方式，就像两个人用电话通话一样，决定最终的电压及电流情况。

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顺便说一句，这个接口和协议最开始有价值的商用案例是苹果的Air系列电脑，整个电脑只有Type C 接口。这个系列的电脑还催生了一个产业：Type C扩展坞。

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同时，为了更精准的控制电压电流，PD发布了PPS的协议。可以实时的，精确的调节。

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通讯上就像手机和充电器在唠嗑。[泪奔]

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由于PD，特别是PPS有更复杂的通信机制，可以实现的功能更多，自然成本就比快充芯片贵很多。所以，尽管USB IF协会极力的推荐PD协议，国内手机厂商也仅是兼容了PD最基础的9V/2A 的版本，主力还是发展自己的私有协议。不过，三星，苹果这两个没有将重心放在快充的手机巨头，开始全力支持PD在自家手机上的使用。三星甚至放弃了自家的AFC协议，改向支持PD的PPS协议。
之后的手机的快充发展朝着大功率的方向发展，2022年之前最大功率是120W 。电源适配器端，同步整流，GaN器件，LLC+PFC拓扑也过入大规模的商用。

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而手机充电器端的变化就更有意思了。
一般情况下，充电管理芯片的效率曲线如下：

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由于功率增加，损耗问题在原来单充电管理方案中不可避免地提高了，手机发热问题就会越来越严重。要解决这个问题，手机充电管理方案出现了非常多的创新方案。
改进1：使用两个充电管理，维持更高的效率，发热问题自然就小一些。应对20W快充应该有机会了。

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改进2：利用PPS的功能，旁路充电管理芯片。由于没有开关工作，只有MOS开通后的导通损耗，这种方式是效率最高的方式。但由于单节电压低，这种方式只能让协议工作在低压模式，而且对材料的要求越来越高。以单节电池为例，要实现20W的充电。电池电压4.2V，电流就需要5A 。如果需要40W，将需要10A的电流，线材成本将直线上升。