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?

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。
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。
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。

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。
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。
(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。
(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
(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」。
(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。
(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。
(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。
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。
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。
(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?
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题图来源:Wired