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解決用戶低電量焦慮症 新一代手機快速充電技術更趨複雜

智慧型手機、平板電腦等行動裝置已成為現代人的重要工具,也衍生了有趣的「低電量焦慮症」(low battery anxiety)現象,改善充電效能減少充電等候時間,已成為新一代高階智慧型手機、平板設備的重要賣點。

隨著手機智能化程度越來越高,結合如行事曆、記事本、通訊軟體、社交軟體等現代人密集存取瀏覽的應用服務,讓隨身智能裝置的電池表現性能就成為關鍵的性能指標,例如電池待機時間愈來愈長、電池容量愈來愈大,甚或支持快速或超快速充電機制能讓不足的電力快速補血,繼續延續設備服務時間,成消費者為選擇智慧型手機的重要條件。

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快速充電方案必須搭配專屬充電器、充電線材與手機內部電源控制晶片搭配,才能在安全條件下完成快速充電任務。OPPO

快速充電技術發展突飛猛進,透過不同技術方案解決短時間安全完成充電用戶剛需。OPPO

新一代快速充電器設計複雜,除講求高輸出電壓、電流外,還需要整合主/被動電源安全設計。OPPO

若從眾手機大廠發展快速充電技術的產品脈絡,可以大致理解快速充電技術的幾種走向與未來趨勢。若自手機充電原理檢視,90年代開始手機廠商將鋰電池導入高階產品中。

鋰電池是一種透過化學能轉換電力的儲能設計,從電池設計上鋰電池不管是放電還是充電,均是鋰離子於電池裡的正極、負極間移動,為電能與化學能轉換的持續過程,至於鋰電池模組的充電速度或效率,實際就是看鋰電池的電能轉至化學能的耗時過程,簡單說可以是「功率=電流*電壓」公式來檢視整個轉換狀態。

快速充電簡單理解就是前述功率公式的右邊,要想達到快速充電效果,不是加大電流就是提升電壓,但實際上基於安全與設備溫度考量,並不能無限制的加大輸入電流、電壓數值,而必須採在材料或設備預設安全限制條件下的升壓或提升電流手段,達到加速充電速度的設計目的。

再者,快速充電系統設計還需考量鋰電池本身的材料特性與限制,像是鋰電池在過度放電或過度充電,都會對電池儲電與放電性能產生影響或損傷,鋰電池的充電其實可以分三階段,一般為恆定電流預充(Constant Current Pre-charge Mode)、大電流甯y充電、恆定電壓充電(Constant Voltage Regulation Mode)等程序完成整個充電過程。

理解常規鋰電池回頭檢視高速充電就可以建構高效率的快速充電機制,必定包含專屬可因應鋰電池特性的充電曲線、電源控制晶片、傳輸線材甚至專屬連接器達到快速充電的設計需求,若是簡單提升充電速度直接在大電流恆定電流充電階段進行充電程序優化,一般也可以獲得立即有效的充電效能提升。

若以遵循低倍率充電標準5V 0.2C條件,即充電的施加電壓5V、充電電流0.2C,C為電池充 / 放電速率,電池採1C電流充電時為一小時完全充滿電的狀態,若是2,000mAh電池1C為指採2A進行充電。當然新一代鋰電池在持續優化製程,電池可耐受的充電電流、電壓與溫度也會有更大的彈性,加上低倍率的充電標準已無法滿足用戶需求,加上持續擴增的電池容量,也讓高倍率充電標準成為必要設計方向。

目前快速充電的主流方案主要分高壓小電流與低壓大電流兩大路徑發展,基於快充條件的基本設計差異,需要手機設計遵循一整套支持快充的充電解決方案,一般包含電源控制晶片、充電線材與充電器三大條件滿足下,才能實現快速充電的效率要求。

如Qualcomm推展的Quick Charge快速充電標準,從早期搭載驍龍600處理器支持Quick Charge 1.0版,電源控制方案為透過提高充電電流進而提升充電效率,讓手機可達到5V/2A條件進行充電程序,但在原有Micro-USB連接器對介面的電流限制,必須控制2A輸出維持介面限制條件,後繼還有透過維持2A搭配提升充電電壓的方案,同樣也能在限制條件下完成提升充電效能的設計方向。

後繼Quick Charge 2.0甚至3.0充電標準,已可達到9V/2A高達18W輸出功率進行電池充電,已有顯著提升充電效能的產品使用體驗。

不讓Qualcomm Quick Charge快速充電標準專美於前,行動晶片開發商甚或手機製造商也紛紛嘗試發展自家的快速充電方案,例如,Mediatek即發展Pump Express Plus標準,Samsung也發展出Fast Charge技術方案、MEIZU自行發展的mCharge均為類似透過提升電壓越過介面電流限制瓶頸的快速充電解決方案。

但實際上採行高電壓的速充效益仍會有限制,因為充電器的高電壓輸入、傳至手機內部後也會有個降壓的狀態過程,此狀態會在手機的內部產出熱損耗,進而致使智慧型手機本體的外殼顯得過度發熱狀態,即便充電過程中產生的溫度都在安全範圍值內,但仍舊會讓用戶感到疑慮,少數幾款手機解決方案甚至會在手機螢幕開啟時限制不運行快速充電,以維持不會讓快速充電過程產生的溫升加上屏幕運作溫度影響用戶使用體驗,避免手機機身過熱問題。

而實際上快速充電的條件,若手機支持選用的方案不同,不同快速充電方案本身也難有整合跟相容設計,也就是說不同方案是無法達到快速充電條件的,必須使用相容充電器、要求的電力傳輸線材與同支援的電源控制晶片,才能啟動設備的快速充電條件。

而發展快速充電技術方案,不可不談OPPO於2014年發布用於Find 7智慧型手機的自家「VOOC閃充」快速充電標準,與前述幾種快速充電方案實現的方式不同的是,VOOC閃充採用更激進的快速充電實現方案,提出「充電五分鐘,通話兩小時」的快速充電方案。

VOOC閃充基本快充原理為採用「低電壓、大電流」的充電策略,因為前述幾種快速充電方案主要受限Micro-USB的最高2A電流限制而發展透過升壓方式的速充方案,前述也提過提高充電效能也能藉由提升充電電流改善,而VOOC閃充方案當時提出採定製充電器、定製充電線與手機內部的充電迴路針對速充優化改進,搭配在電池採行多線路併行充電手段實現VOOC 閃充能運行5V/4A情境進行電池充電,一舉將充電功率提升到20W。

雖然VOOC閃充技術採行訂製充電器、充電線與特殊的內部電源迴路實現快充,限制其充電技術的使用條件,但實際上整個充電架構也帶來一些新方案衍生的好處,例如,VOOC閃充方案把大量發熱組件,都產生於訂製充電器上,在手機運行VOOC閃充時手機不會有明顯過熱問題,但VOOC技術方案也有缺點,像是訂製線材與變壓器因為只能特定機種品牌才能使用,導致配件成本相對較高,整套解決方案的相關成本也較高,OPPO僅將獨家VOOC閃充方案放在高階手機實現。

至於繼VOOC閃充方案後,OPPO乘勢再推更進一步優化的SuperVOOC快速充電方案,SuperVOOC快速充電使用更激進的手機內部電池架構因應速充需求優化方案,利用串聯雙電芯來進行同時兼具提升電壓、電流的雙重優化速充方案,實現更高效率的充電效果

SuperVOOC在2016年MWC展示80W快充方案為採行5V/16A條件運行,但最終因為電流較高沒有將此規格商品化,考慮到種種限制問題SuperVOOC快速充電改朝大電壓方案進行系統優化,但朝向高電壓方案也同樣面對手機內的高電壓轉換熱損失問題,為了改善熱損失限制而將內部電池結構調整至獨特串聯雙電芯設計。

透過SuperVOOC版Find X手機實做,將內部兩組各1700mAh鋰電池芯採用串聯配置,透過串聯分壓方式讓充電器輸出的高電壓得以直接施加於串聯架構的電芯配置上,由於每個電芯只會分配到充電器的一半電壓,自然解決的升壓再降壓處理的熱損失問題,透過高電壓搭配串聯雙電芯架構,SuperVOOC 超級閃充可在安全條件下將充電速度做最大化的優化改進。

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