第二届电力电子科普征文大赛-入围奖

上海科技大学 李泽晖 

你是否还记得你的第一部手机？

我的第一部手机功能不多，反应迟钝，样子也不太好看，各方面都不如现在手边的这位。无线通信技术的快速发展推动了智能手机的更新换代，电力电子技术也在这一进程中扮演了极重要的角色。当我们回顾手机的发展历程时，充电速度无疑是其中一项令人瞩目的进步。从最初的“5V1A”到如今的“65W快充”、“200W快充”，手机充电功率越来越大，这究竟是如何实现的呢？让我们一起揭开手机快充技术的神秘面纱。

一、你的充电头是“快充”吗？

顾名思义，“快充”意味着更大的充电电流和更高的充电电压，能够更快地给手机充电。

“快速充电模式”定义如下：一个由适配器、线缆和终端组成的充电系统，从初始充电状态开始，至充电30分钟，期间进入电池的平均电流大于等于3A或总充电量大于等于电池额定容量的60%的充电方式 [1]。典型的快充标准有Qualcomm Quick Charge、OPPO VOOC、华为Super Charge等。

手机快充的优点很明显，就是可以节省充电时间，提高充电效率，让手机的续航能力更强。例如，使用苹果PD快充，30分钟可以将iPhone 8及以上系列机型充至50%；使用iQOO 10 Pro的200W快充头，30分钟可以至少充60%的电量[2]；使用Redmi Note 12探索版的210W快充，30分钟可以充至少70%的电量[3]。

图1. 35W手机快充

二、“快充”充电头里都有什么？

市面上的“快充”充电头类型和品牌五花八门，这些小方块们是如何实现快速充电的？不同功率的快充头之间又有什么差别？在此，我们将快充头按照输出功率等级来分类介绍，大致可分为75W以下快充，75W-200W快充，和200W以上快充三类。

75W以下快充

在小于75W输出功率的快充头中大多使用的是反激变换器（Flyback Converter）[4]，拓扑如图2所示。220V市电先经过二极管整流桥整流，反激变换器接于整流桥的输出端，它可以实现隔离降压，例如将充电头的输出电压稳定于5V。

图2. 反激变换器

然而，传统反激变换器的连续导通模式（Continuous Conduction Mode，CCM）会使原边开关管产生较大的开关损耗。损耗，即是热量。如果充电头产生的热量多而不能及时耗散，不仅会烫手，还增大了损坏的风险，存在安全隐患。因此，为了实现“凉爽的快充”，需要降低反激变换器的开关损耗。

准谐振反激变换器（Quasi-Resonant Flyback，QR flyback）利用软开关技术降低了传统反激变换器的开关损耗 [5]。QR flyback工作于临界导通模式（Critical Conduction Mode，CRM）,使原边开关管的电压在其开通之前就通过谐振降低，这大大降低了变换器的开关损耗。

图3. 小米35W双口充电器

QR flyback广泛应用于输出功率在75W以下的快充头中，如小米的35W双口充电器 [4]。

75W-200W快充

在输出功率在75W-200W的快充头里，实现隔离降压的仍大多是反激变换器。与75W以下充电头的不同之处在于，在反激变换器之前还多了一级功率因数校正（Power Factor Correct，PFC）变换器。PFC的作用是什么？为什么在这一功率等级需要PFC？

图4. 有桥PFC电路

PFC的作用是使充电头的输入电流与输入电压相位相同，使功率因数等于1。这样做的目的是让充电头的视在功率变小，减少无功功率 [6]。PFC的常见实现方案是用Boost变换器接于整流桥的后级，通过控制Boost电感电流跟随整流桥输出的“馒头”电压，来消除输入电压和电流之间的相位差。

如果没有PFC会怎么样呢？没有功率因数校正的反激变换器会存在较大谐波电流。CCC认证实施规则中涉及的要求及测量方法标准GB17625,1-2022《电磁兼容限值第1部分;谐波电流发射限值(设备每相输入电流≤16A)》，已于2022年12月29日发布，并于2024年07月01日起实施，替代GB17625.1-2012。新旧两个国标都对75W以上的用电器的谐波电流有要求。因此，75W以上的快充头中需要PFC。

图5. 国标限制谐波电流

反激变换器接于Boost变换器的后级，因此它的输入电压更高，对于原边开关管实现ZVS的要求更高。为了更彻底地实现ZVS，在反激变换器中引入了更多软开关技术。如在Anke 120W氮化镓充电器中采用了与英飞凌合作提出的PFC+HFB（混合反激变换器hybrid flyback）半桥架构设计 [4]。类似地，iQOO 10 Pro 200W氮化镓超快闪充采用PFC+ZVS反激开关电源架构 [4]，Realme真我GT Neo5 240W氮化镓充电器采用PFC+QR反激开关电源架构 [4]。

图6. Anke 120W氮化镓充电器

图7. iQOO 10 Pro 200W氮化镓超快闪充

图8. Realme真我GT Neo5 240W氮化镓充电器

>200W快充

在输出功率大于200W的充电头中又有哪些变化呢？反激变换器还能继续挑起重任吗？答案并非肯定。

反激变换器中的变压器在原边开关管导通的时间里存储能量，在原边开关管关断且副边整流管导通的时间里向负载传递能量，因此，反激变换器的变压器承担着储能的功能。随着充电头的输出功率越来越大，反激变换器需要存储和传递的能量也就越来越多，这就导致需要设计体积更大的变压器来储能。所以，大功率场景下的反激变换器由于变压器体积难以减小，而很难塞进原来那个小小的外壳。

LLC变换器便开始出现在这一功率等级的充电头中（拓扑方案并非绝对，只是大功率场景中开始出现用LLC变换器的情况，Realme真我GT Neo5 240W氮化镓充电器便是仍使用反激变换器的例子）。LLC变换器中也有变压器，但是LLC的变压器并不用于储能。所以，即便在大输出功率的场景中，LLC的变压器也可以做得很小，同时也具备隔离降压的功能。但是成本会更高。

图9. 半桥LLC变换器

例如，UGREEN绿联300W 4C1A五口PD氮化镓快充充电器采用PFC+LLC+SR（同步整流，Synchronous Rectifier，SR） 的高效电源架构 [4]，蔚来NIO Life 210W桌面充电器采用PFC+LLC的供电方案 [4]。

图10. 绿联300W氮化镓快充充电器

图11. 蔚来210W桌面充电器

三、为什么“快充”充电头可以这么小？

从前文中的几张拆解照片中，我们不难发现，在充电头中占体积最大的是被动元件，即电容和磁性元件。若要减小变换器的整体体积，减小被动元件体积是重要的途径。对于磁性元件来说，如何让它的体积更小呢？

以Buck变换器的电感设计公式为例（其中L为电感感值，D为占空比，VL为电感电压，fsw为开关频率，iL为电感电流纹波），电感感值与开关频率成反比。也就是说，在相同的电感电流纹波要求下，开关频率越大（每秒中开关管开关次数越大），所需要的电感感值L就越小。感值越小，则磁性元件的体积便越小 [7]。

提高变换器的开关频率可以减小磁性元件的体积。但是开关频率与功率器件的开关损耗成正比，所以开关频率的提升会导致开关管的开关损耗变大。更大的损耗会产生更多的热量，极大的散热需求限制了开关频率的提升。

图12. 氮化镓器件助力实现高功率密度充电头

氮化镓 (GaN) 的出现又进一步推动了这一进程 [7]。GaN是一款宽带隙半导体，与传统的硅基功率半导体相比，它可以实现更快的开关速度。GaN器件结合软开关技术的应用可以极大减小功率器件的开关损耗，从而能提升开关频率，减小磁性元件体积 [7]。

充电头的输出功率越来越大，而体积却越来越小，这离不开新一代功率半导体器件和磁集成技术的合力作用。

四、总结

本文回顾“快充模式”的涵义，解读各功率等级的手机快充实现方案，分析充电头功率密度提升的关键要点。电力电子技术的发展能够切实地让我们感受到“科技改变生活”，小小的快充头是电力电子技术快速发展的缩影。电子电力技术持续为更美好的生活快速充电！

参考资料

[1] 中国通信标准化协会. (2021). 移动通信终端快速充电技术要求和测试方法 (YD/T 3815-2021). 工业和信息化部.

[2] iQOO 10 Pro [EB/OL]. https://www.vivo.com.cn/vivo/iqoo10pro/.

[3] Redmi Note 12 Pro+ [EB/OL]. Redmi Note 12 Pro+.

[4] 充电头网 [EB/OL]. 充电头网 - 我们只谈充电 (chongdiantou.com).

[5] C. Wang, S. Xu, W. Shen, S. Lu and W. Sun, "A Single-Switched High-Switching-Frequency Quasi-Resonant Flyback Converter," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 34, no. 9, pp. 8775-8786, Sept. 2019.

[6] S. Singh, B. Singh, G. Bhuvaneswari and V. Bist, "Power Factor Corrected Zeta Converter Based Improved Power Quality Switched Mode Power Supply," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 62, no. 9, pp. 5422-5433, Sept. 2015.

[7] 德州仪器. (2024). 氮化镓技术白皮书. 简化高压系统中的电源转换 (ti.com.cn)