第三届电力电子科普作品创作大赛-入围奖 

上海科技大学 张昊宇、王浩宇

智能手机的快充技术给我们的生活带来了诸多的便利。遥想十多年前，手机的充电时间仍然以小时为计，而如今动辄60W、120W，高至300W的充电功率已经让手机的“回血”时间缩短到了30分钟以内，但手机的体积在十年内并没有像功率一样成倍地增加。其中电力电子技术发挥了重大作用。

如同氮化镓让充电头实现了更高的功率密度，手机内部的电路也经历了各种演化，使其能在小体积下处理如此之大的功率。

一、蛮荒时代（≤10W）

2010年前后，随着手机的发展，充电接口和数据接口合二为一，Micro-USB接口被广泛作为手机的充电数据口。

图一 Micro-USB 连接线

USB的标准电源电压为恒定5V，但手机使用的单节锂离子电池电压一般随着储存电量的高低在3.3-4.2V间变化。此时在电池和电源输入之间需要降压变换。 

图二 电池充电示意图

同时，降压变换器还需具备输出电压可调的能力。如图中电池的等效模型，电池中存在毫欧级的内阻，当内阻上的电压恒定，即充电电流恒定，变换器需输出比当前电池电压略高的电压并进行跟随，实现恒流充电。在这段时期，手机内部主要使用buck降压拓扑来实现5V到3.3-4.2V的转换。

图三 Buck降压变换器示意图

Buck变换器拓扑，通过开关1和2的高频交替开通，将输入直流电压Vin转成占空比D的PWM波，通过电感电容滤波输出稳定直流电压Vo，理论降压比例为占空比D，通过对占空比的调控，输出电压可调。

这段时期，市面上的手机的充电输入电压就维持在5V，而充电电流在逐步提升，到2013年主流旗舰手机的输入电流达到了2A，功率到了10W的水平，此时主流USB线材的通流能力已限制了功率的进一步提升。

二、群雄逐鹿（10-30W）

随着智能手机的普及，智能机耗电快也被广大用户吐槽，但电池能量密度一时半会儿不能显著提升，所以手机厂商开始聚焦于更快的充电速度来减轻用户们的“续航焦虑”，10W显然不够看了。

在增大充电功率上，各家厂商主要分化成了两种技术路线：继续增大电流的“低压大电流”路线和维持2A电流增大充电电压的“高压低电流”路线。

图四 OPPO Find7 搭载VOOC闪充技术

2014年，OPPO率先推出了“VOOC”闪充技术，将充电电流提升到了4.5A功率22.5W，使得搭载其的Find7手机的补能速度大幅超越同期竞品。然而为实现大电流，该型手机需使用专用充电器和大线径多触电充电线。

图五 OPPO初代VOOC闪充的定制7触点Micro-USB接头

除了像OPPO采用定制专有方案实现了低压高流的快充，其他厂商更多选择了另一条路线——高压低流。其中最具代表的是来自芯片厂商高通的Quick Charge (QC) 2.0方案。QC2.0有9V、12V等电压档位可选，电流维持2A以内，最大功率18W。此方案的特色在于兼容以前的充电线，并由于芯片厂主导，QC快充被广泛应用各型高通芯片的手机，主流手机的功率也来到了20W级。

图六 小米的QC快充充电器具备9V和12V高压档

为保证充电器混用的电压安全，这段时期各种充电协议也层出不穷。代表有芯片厂联发科的Pump Express (PE)、手机厂华为的FCP。电压等级也都集中于9V和12V，区别在于各家的手机和充电器间的协议识别方案。

在实际手机内部的电路上，与早前5V时期一样依然采用恒压输入的buck降压调压的方案。由于buck电路的高位开关在连续导通模式下无法软开关，并且开关电压应力升高，而buck的开关电流等于输出电流也相应升高，开关损耗显著增加，因此众多的9V高压低流快充方案就面临手机充电发热量大的问题。而低压高流由于只有开关电流增大，发热相比高压方案具有一定优势。

低压高流快充方案在后期为进一步提升手机上效率降低发热，演进了低压直充技术，即把原来buck的调压能力转移至充电器上，充电器设计能以0.1V级小步进宽幅调压直充电池，手机不进行功率转换，损耗自然小了，这项技术也为后续快充技术埋下伏笔。

图七 低压直充系统示意图

三、殊途同归（>30W）

在快充功率升至30W左右后，高压路线发现升高电压以提高功率，传统Buck变换器的损耗将不可接受。低压方案也发现电流不可无限制提升下去，继续维持5V的接近电池的电压等级不可取，也将目光转投提升输入电压。

一种名为“电荷泵”降压电路，进入了各家快充设计者视线。

图八 经典2:1“电荷泵”开关电容电路

图九 2:1电荷泵的各模态

电荷泵的原理很简单，开关1、3开通，飞跨电容和输出电容串联接受来自输入端的充电，飞跨和输出电容的电压均为输入的一半。开关2、4开通，飞跨和输出电容并联，一起输出放电。两种模态交替，变换器即可实现2:1的电压变换。

相比buck，该开关电容电路无需电感储能器件，减少磁性元件损耗，同时开关的频率也比buck有所降低，开关器件的损耗也相应减少。通常的buck变换效率在92%左右，而“电荷泵”可以轻松做到97%的高转换效率（双相电荷泵芯片南芯SC8551A参数）。

然而“电荷泵”却不具备buck的调压能力，这点“缺陷”则可以由直充技术来弥补，让充电器来进行调压，所以“电荷泵”快充技术也被称为高压直充技术。充电器也由之前低压直充的5V以内的调压，逐步进阶成最大20V最小3V的的调压充电器，各充电协议也相应增加了步进调压的能力。

常见可步进调压通用充电协议：

 QC 3.0：3.6~20V 0.2V步进

 QC 4/4+：3.6~20V 20mV步进

 USB PD 3.0 PPS：3.3~21V 20mV步进

至此，电荷泵成为了快充的手机内功率处理电路的版本答案，30W往上的手机快充基本都是通过电荷泵实现。比如11V/6A（66W）的快充即使用了2:1的电荷泵，当然实际应用中电荷泵电路不会是如上的简单拓扑。同时也存在更高比例的电荷泵，接受更高的输入电压（20V级），4:1降至5V级给单芯电池充电。电荷泵也可通过多模块并联分流实现更大的功率和高效率。

图十 小米单电芯120W快充的双4:1电荷泵芯片并联结构

120W朝上到300W的快充，受限于单电芯的充电倍率，基本都是双电芯串联实现，所需的电荷泵也被称为4:2电荷泵（20V级输入至双电芯串联10V级），目前还存在6:2的电荷泵，比如Redmi的300W秒充便是通过定制6:2电荷泵30V/10A的输入实现的。

四、结语

本文回顾了以手机内充电电路的演进为线索，回顾了十年内手机快充技术的发展。从早期USB标准下的5V恒压，到低压高流和高压低流的路线分叉的各自探索，再到路线殊途同归的“电荷泵”高压直充。手机充电电路拓扑从buck降压调压拓扑到高效的电荷泵开关电容拓扑。充电器和快充协议也从5V恒压，到5V/9V/12V的多档恒压，最终发展为3~21V超宽幅小步进的GaN高功率直充充电器和快充协议。是电力电子技术在手机消费电子领域发展的缩影。电力电子技术也将持续为我们的生活带来更多便利。

作者简介：

张昊宇，博士研究生，本科毕业于上海科技大学信息学院电子信息工程专业。2022年加入上海科技大学电力电子与再生能源实验室。目前主要研究方向是双向DC-DC变换器。