科普：手機充電技術發展史

隨著科技的發展，智能手機的性能愈發強大，普及度也是越來越高，而它在我們的日常生活中的地位更是水漲船高。但是在電池技術沒有什麼突破性發展的今天，續航成了所有手機不得不提的一項參數，而充電作為其中不可或缺的一環，也是被各大手機廠商不遺餘力地進行宣傳。今天小七就和大家來聊一下手機充電技術的發展，由於小七本人知識有限，文中若有任何錯誤歡迎大家指出。

前排提示：本文沒有提及無線充電

充電知識

在繼續後面的故事之前，我們需要先補充一點基礎的充電方面的知識。

知識點①：充電的電壓以及發熱

目前大多數手機使用的電芯都是單鋰或者多並鋰組成，電芯工作電壓在3.0V~4.4V之間，均壓平台3.6V-3.8V。當進行充電行為時，電能進入手機后通過手機內的降壓電路處理后再輸出3.3~4.5V左右的電壓給電池充電。而這個電壓轉換壓降過程，就是由手機內的充電管理IC模塊負責。

這個電壓轉換壓降過程會產生髮熱，電壓差距越大產生的熱量會越多。

知識點②：充電的電流以及功率

手機充電時的電流並不是一直不變的。優秀的充電方案應該是手機需要多大的功率，充電器就給多大的功率，而不是手機只能被動地接受充電器一成不變的功率。

當手機處於低電量的時候，手機會要求充電器火力全開，這就是所謂的充電峰值。在這個時候充電速度非常快，但是損耗和發熱也很大。

充電時，隨著手機電量的上升，充電的功率往往是逐漸下降的。當手機的電量充到60%~80%的時候（具體看手機廠商的設定），充電電流會減小，以達到減少電池損耗和手機發熱量等目的。

在後面這個階段，電流往往只有幾百毫安甚至更小，充電的功率也很小（相對而言），也就是我們常說的涓流充電。

需要注意的是，涓流充電是大功率充電時代的產物，對於5V/500mA的充電器是沒有涓流充電這麼一說的。（電流本來就很小）

下面開始正文，本文分為「史前」時期、初露鋒芒、快充現世、高低之爭和一統天下五個部分。

「史前」時期

我們先來說一下當年功能機還統治著地球的時期，比較早期的充電器和現在的充電器主要有三個比較明顯的區別：

① 以前的充電器並不像現在這樣數據線和適配器（充電頭）分開，而是一體的，也就是充電頭連著數據線；

② 以前的充電器功率其實很小，一般都是5V/500mA,也就是2.5W（瓦）的功率；

③ 以前的充電器單純只能充電，而現在負責的充電器把數據線拔下來接到電腦上還可以進行數據傳輸（同時也能充電）。

▲圖左為老式一體充電器（黑），右為新式分體式充電器（白）

註：此處並非指分體的充電器要優於一體的充電器，實際上兩者各有優劣

為什麼當時的充電器功率這麼小呢？主要原因有兩個：

① 手機相對功能少，耗電少，因此電池也小（大多數是幾百毫安時/mAh），不需要太大功率的充電器；

② 大功率的充電器製造難度大，成本高，在當時的環境下顯然不划算。

但是隨著手機的發展，尤其是安卓手機的崛起，手機功能也開始增多，耗電量也開始增大，電池容量也開始突飛猛進，到了動則上千毫安時的時代。這個時候如果還是繼續使用著5V/500mA的充電器，那麼就會出現充電非常慢，而且會出現邊充電邊玩手機，電量還是越來越少的這種」入不敷出」的情況。

在智能手機萌芽的時候，USB介面在手機上也隨之普及開來。而手機充電技術的變革，就從這裡開始了。

初露鋒芒

比較早開始出現的充電標準是USB BC 1.2（BC是Battery Charge的簡稱）。

USB規格第一次是於1995年，由Intel（英特爾）、NEC（日本電氣株式會社）、Compaq（康柏）、DEC（美國數字設備公司）、IBM（國際商業機器公司）、Microsoft（微軟）、Northern Telecom（北方電信公司）等七家公司組成的USB IF（USB Implement Forum）共同提出。

BC 1.2的出現，讓同時進行充電和數據傳輸成為了主流。

USB BC1.2標準由USB IF協會於2010年頒布，指的是可直接為關閉的攜帶型設備電池充電，成為建立通過USB埠為電池充電的正確方式的關鍵標準。

說白了，BC1.2就是可以給包括手機在內的攜帶型設備使用USB介面充電（包括關機充電）的一套官方標準。

BC 1.2出來之前，除了日漸強大的智能手機，諸如數碼相機、DV等攜帶型設備也開始逐漸受到人們的青睞。這些攜帶型設備與電腦之間的數據交換也變得頻繁了許多，因此，USB介面在這些設備上開始普遍起來。

儘管USB介面出現的目的是為了傳輸數據和連接諸如鍵盤滑鼠的設備而並不是充電，但是在這時候，如果能使用USB介面給這些設備充電，那麼就會方便很多，USB BC 1.2也就應運而生了。

目前市面上主流的USB介面可以分為USB 2.0和USB 3.0兩種，其中兩者的電壓都是5V，而電流方面USB 2.0為500mA，USB 3.0為900mA。

註：

① USB 3.1 gen1其實就是USB 3.0的馬甲版（最大傳輸速率仍然是5Gb/s），而USB 3.1 gen2才是升級版，最大傳輸速率可達10Gb/s，最大輸出電壓/電流可達20V/5A）；

② 傳輸數據的USB 2.0的線纜中只有四根線，充電的MicroUSB 2.0線纜中有五個觸點，而USB 3.0中升級為了九根線；

③ 常見的USB分線器/集線器/HUB等可以將一個USB介面分出多個USB介面的設備，在沒有獨立外接電源的情況下，很有可能因為給每個USB介面提供的電流不足而導致連接在該USB介面上的設備無法正常使用甚至是損壞，因此大家在使用這類產品的時候一定要小心。

USB BC 1.2最大的功勞就是使得USB充電的最大電流能夠達到1500mA也就是1.5A，儘管它沒有提升電壓（因為要適配其他便攜設備），但是將電流提升到1.5A之後，USB介面充電的最大功率就能夠達到7.5瓦（W），這個時候的USB BC 1.2已經足夠應付當時的手機充電了。

USB BC 1.2的出現不僅使得當時的USB充電規範混亂的場面得到了規範，而且它對於集線器/分線器/HUB也有著很好的支持，特別需要注意的是，為了保證每個介面能有足夠的電流，支持BC 1.2的集線器/分線器/HUB往往都需要外接電源。

▲圖為USB BC 1.2工作方案

前排提示：千萬不要小看USB IF協會哦

快充現世

儘管USB BC 1.2標準已經能滿足當時的充電需求，但是科技的發展是無止境的。隨著智能手機的發展，對充電的速度再次提出了更高的要求。而就在這個時候，發布USB BC 1.2標準的USB IF協會居然沒有給出一套可行的解決方案，而這就為後來的快充標準大混戰埋下了伏筆。

到了2013，高通大佬就出場了。當時高通一拍桌子，振臂一呼：同志們，跟著我有肉吃！它率先突破了USB IF協會關於USB BC 1.2標準中的1.5A的最大電流限制，將其提升到了2A也就是10W的功率（5V/2A），充電速度大幅提升。

這就是高通的QuickCharge快充1.0版本，也就是QC 1.0快充。

了解高通的同學應該都知道，高通在手機晶元和通信專利方面可謂是一方巨擘，而憑藉著這個霸主級別的地位優勢，高通可以迅速推廣自己的QC快充標準。然後，就可以坐著收QC標準的授權費。

而到了2014年，情況就有些不一樣了，這個時候雖然Type-C的數據線已經面世，但卻還沒有普及，手機上依舊還使用著MicroUSB 2.0介面的數據線（也就是大家常說的安卓線）。前面我們已經提到了，由於MicroUSB 2.0的數據線內部只有四根線，對電流的承載能力非常有限，2A基本就是極限了，而Type-C介面優於設計的優越性，介面的觸點非常多，因此內部可以增加的線比MicroUSB 2.0要多得多,最大可支持5A的電流。所以Type-C介面與生俱來就對大電流有著極大的友好。

▲圖左為Type-C型介面，圖右為MicroUSB 2.0介面

註：

① Type-C介面只是一種介面類型，由於體積小，正反可插，以及可以兼容諸多協議，因此有著「數據介面的終極形態」之稱，但也因為其兼容了諸多協議，可以集成視頻、音頻、數據、供電等各種介面和協議（如雷電三），導致目前市面上的Type-C介面功能不一，對新手來說比較不友好。

② 常見的MicroUSB除了2.0，還有MicroUSB 3.0，手機上有三星的note3和s5採用了這種介面。但是由於MicroUSB 3.0體積太大，因此後來就沒有手機採用這種介面了，反倒是移動硬碟現在用的比較多。

▲圖為MicroUSB 3.0數據介面

註：以下提及的MicroUSB如無標註則均為MicroUSB 2.0

高低之爭

我們繼續回到2014年。

而這個時候，如果還要繼續通過增大電流的方法來提升充電功率，MicroUSB那孱弱的身軀可承受不了這巨大的電流。於是乎，以高通QC為首的高壓快充方案和以OPPO VOOC為首的低壓大電流快充方案就此分道揚鑣，而快充協議的混戰也從此展開。

先來說說高通這邊的高壓快充方案。

我們都知道P（功率）=U（電壓）*I（電流），而既然當時增大電流不行，那就增大電壓唄，同樣是18W功率的快充，如果要用5V電壓的話，電流已經超過了3A，正常的MicroUSB是絕對受不了的。而使用12V的電壓，電流就只需要1.5A，一下子電流就降下來了。這種方案的一大好處就是成本比較低，而壞處就是將充電器的電壓升到這麼高，在二次降壓過程中手機的充電管理IC產生的熱量也是極大的，所以高壓快充的一大特點就是手機發熱嚴重。

注意，1.5A是QC標準比較推薦的電流，因為2A是Micro USB的極限，業界的普遍共識是，不要把器件用到極限值，而是要預留余量。

▲圖為高壓快充方案示意圖

接下來我們再來說說OPPO的VOOC低壓大電流快充。

▲圖為低壓大電流快充原理示意圖

和高通不同，OPPO這邊採用的是另外一種解決方案。不是說正常的MicroUSB數據線承載不了這麼大的電流嘛，那就把充電器從頭到尾徹底改造一番。OPPO採用在當時來說相當另類的解決方案，在普通的MicroUSB數據線中增加了兩個觸點，使得內部變成了七根線，充電頭也因為整合了IC電路而變得奇大無比。

▲圖片來自網路

不僅如此，因為從頭改造電路，所以數據線只能用官方的特製數據線，一般的數據線無法達到快充的效果，而且這樣做的成本也很高，大電流充電對於電池的損耗也更為明顯，很多使用初期的VOOC快充的手機在使用大約一年之後，電池續航嚴重下降。

但是，付出了如此沉重的代價，OPPO也不是沒有收穫的。

初代的VOOC快充就憑藉著5V/5A的25W超大功率，在充電速度上一騎絕塵，使得其餘手機都難以望其項背。而由於它將發熱源外置到充電器中，手機在充電時發熱量明顯小於高壓快充方案。既然VOOC快充如此優秀，OPPO自然也不能藏著掖著，於是乎……

充電五分鐘，通話兩小時的廣告詞響徹大江南北。

▲圖為OPPO R11官方宣傳文案

低壓大電流方案雖然成本高，且對充電設備有比較高的要求（尤其是線材），但是手機上的發熱量小，充電速度更快。

一統天下

大家當然不可能傻乎乎地去給高通送錢，在利益的驅使下，各家廠商也開始著手研發自己的快充標準。

下面來說一些比較主流的快充。

隨後聯發科也推出自己的Pump Express（PE）和後來的Pump Express Plus（PEP）快充，而魅族的mCharge快充就是基於此，華為早期推出了Fast Charge Protocol（fsp）快充，國際巨頭三星也有自己的AFC（Adaptive Fast Charging）快充，而小米和努比亞等一眾使用高通SoC作為自己旗艦手機SoC的廠商也是使用的高通的QC快充。以上提到的這些都是使用的高壓快充方案。

當然低壓大電流方案這邊也不是沒有援軍，比如說一加。一加CEO劉作虎作為OPPO前高管，儘管一加使用的是高通的SoC，但是在一加推出自己的快充方案時，還是選擇了低壓大電流方案，也就是一加Dash閃充。

看到這裡是不是覺得高壓快充方案已經贏得了勝利，低壓方案只能在一旁苟延殘喘？

當然不是！事情在2016年發生了轉變。

2016年，Type-C介面已經普及得七七八八了，安卓旗艦手機基本都是使用這種介面，這就為低壓方案的翻身提供了有利條件。（儘管Type-C介面支持大電流，但是其線材依舊比較粗）

這一年，華為改變了快充方案，推出了自家的另一類快充（scp），全稱Super Charge Protocol，搭載的機型有榮耀Magic、Mate9和P10/plus，使用的是4.5V/5A的低壓大電流方案。

而聯發科這邊的PEP快充，也轉投了低壓方案，魅族最新發布的旗艦Pro7 Plus搭載的mCharge4.0也是使用了低壓方案，早前的mCharge3.0屬於高壓快充方案（24W），充電器輸出電壓最高可達12V；而mCharge4.0（25W）屬於低壓大電流方案，充電器輸出電壓5V，電流可達5A。

努比亞也推出了自家的快充方案，名為NeoCharge，使用的是5V/5.2A的26W低壓大電流快充方案，搭載在努比亞2017年發布的M2上。

至於小米……額……好像沒有低壓快充方案，目前已有的澎湃S1上搭載有9V/2A的18W的澎湃快充，是典型的高壓快充方案。不知道澎湃S2會不會給我們帶來驚喜呢？

再說說高通，高通似乎也發現了低壓方案的優勢，在最新的QC4快充上，也使用了低壓大電流方案，不過於此同時也還支持著高壓快充方案。

儘管目前低壓大電流方案已經基本統治了快充，但是各家的快充協議互不兼容，可以說給消費者帶來了很大的苦惱。

這個時候，又到USB IF協會出場了。

USB IF協會之前當然也沒有閑著，發布了基於USB 3.1中Type-C介面的USB Power Delivery（簡稱USB PD）的充電標準，最高可以提供100W（20V/5A）的充電功率，旨在統一便攜移動設備的充電標準。USB IF的夢想是美好的，只是現實往往比較殘酷。各家廠商自己做手機，再做快充標準，當然都是首選自家的快充協議，USB PD標準也就被晾到了一邊。

但是夢想還是要有的，萬一實現了呢？

要知道，USB IF協會的背景可不弱（都是行業巨頭聯合成立的），而谷歌官方也是表示安卓一定要支持USB PD協議，不要亂搞些有的沒的快充協議。加上USB IF協會積極與各國以及各個高端實驗室溝通，其最新發布的USB PD3.0已經成功收編高通的QC4快充協議，至此，高通QC、聯發科PEP、華為fcp、scp，OPPO的VOOC等快充協議基本被USB PD3.0收納。而廠商日後研發自己的快充技術，只要基於USB PD的協議即可。USB PD協議有望一統江湖。

▲圖為USB PD3.0協議，圖片來自網路

但是，儘管前途一片光明，道路還是一片崎嶇，快充大一統，還是有不短的路要走。

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