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快充功率翻倍??升 安全把关成一大要点
 

【作者: 施莉芸】2019年05月13日 星期一

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快充技术从2014年起开始於市场上蓬勃发展,各大手机品牌也相继以「快速充电」做为一大卖点,例如,高通就针对搭载高通处理器的手机推出QuickCharge 快充技术(简称QC),华为也为搭载麒麟处理器的机种,开发SuperCharge 快充技术;OPPO也在去年将其快充规格从VOOC闪充,升级成SuperVOOC超级闪充;而联发科也推出Pump Express(简称PE)技术。



图一 : 在发展高功率快充的同时,安全与也是多数使用者非常在意的问题。
图一 : 在发展高功率快充的同时,安全与也是多数使用者非常在意的问题。

以目前手机快充规格来说,每间厂牌各有不同标准与技术,为了让将来无论手机、笔电、平板…等各项装置能够有更统一的充电规格,USB-IF协会便於2012年订定电源线与供应器规范 USB-PD(USB Power Delivery),将装置分为1~5级,利用不同额定功率,在充电中装置和充电器会自动判断该用多大的电流充电,让不同厂牌、甚至不同装置,都可以透过一条USB来充电。


其中,2018年发布的USB PD 3.0版本中,不仅可同时为多个设备供电,并提供输送高达100W的功率,无须为每个设备配备专用AC适配器外,更提供快速角色交换(FRS)及可编程电源(PPS)的功能,使电流能够双向传输,并快速转换「受电」及「供电」角色,以避免突然断电之情况发生,并满足各技术流派的快充方式。



图二 : USB-PD利用不同额定功率,让所认证之不同厂牌、甚至不同装置,都可以透过一条USB来充电。
图二 : USB-PD利用不同额定功率,让所认证之不同厂牌、甚至不同装置,都可以透过一条USB来充电。

目前包含高通、联发科、OPPO等品牌所推出的部分快充规格,皆符合USB PD规格;而在手机市场则包含苹果iPhone8後机型、小米、Razer、宏达电及LG等品牌,皆推出支援USB-PD 3.0协议的手机;此外,其他如三星、LG及苹果等大厂,也已经向欧盟承诺未来将会在手机、平板推出Type-C接囗的充电线。


当USB PD标准允许输送功率高达100W,且快充市场庞大而无章的状况下,也不免让人担心,是否有存在於电线或设备中的缺陷,可能将导致过热,或甚至火灾的风险。

首先,就让我们谈谈手机快充的安全性与保护措施吧。


目前在手机装置快充上推出的最大输出功率,已经从10W飞速升级来到50W,甚至小米更宣称,已研发出功率高达100W的Super Charge Turbo 超级快充技术,虽说在小米品牌总监林??发表的影片中,实测最高功率约在88W左右,不过这仍能显示出:手机快充功率已经翻倍提升。


事实上,小米并非第一间展示出高功率快充的品牌,早在MWC 2016,OPPO便头一次展现其SuperVOOC(超级闪充)的技术原型:5V16A、功率80W,号称在15分钟内便能将2500mAh容量的电池充满,不过非常可惜地,在2018年期发表的产品中,电压电流叁数却变成10V5A、输出功率50W。


以目前的快充技术而言,主要可分为「提高充电电压」,「加大充电电流」,以及「同时提升电压及电流」三种技术流派。


在电池保护机制上,各厂商的做法都不太一样,多数快充主要是缩短0%到50%的充电时间,50%之後会持续降低功率,转为「涓滴充电」,藉由调整充电功率,并搭配手机内建充电IC、电池设计等方式来保护电池及保障充电安全。然而,快充功率的提升也容易对散热及电池造成影响。


在发展高功率快充的同时,安全与否也是多数使用者非常在意的问题,也因此不少厂商都提出各项保护装置,或送由第三方认证单位进行测试,以确保自家产品不会在使用过程中不会发生过热起火,或其他造成人身安全危害的事件发生。


手机快充功率??升 安全性成最大疑虑

以目前市面上最常见的快充品牌来说,多数品牌在自家产品中,会设计一套安全防护机制,透过智能温控技术,或加大数据线能够搭载的电流流量,以防止充电过程中因过热或短路,预防进而导致的火灾或其他危害。


以高通所推出QC4+版本来看,在此版本後便增强其双重充电(Dual Charge)技术、智慧温控系统。利用电池节电器(buttery saver)在多个级别与整个充电过程中进行保护,以帮助准确测量电压、电流及温度,透过同时监控设备适配器和埠的温度,以防止过热、短路或对Type-C埠的损坏,保护电池、系统、电线及连接器,在提升充电安全性的同时也延长电池循环寿命。


另一方面,华为的SuperCharge快充技术近年也突破过去5V2A的限制,利用「电荷泵技术」,透过低压大电流的模式,将手机快充功率拉抬至40W。


不同於双电芯快充,在最近该品牌发布的40W超级快充技术则是使用直流━直流转换器的「电荷泵技术」,将电容器作为储能元件进行电压转换,再以受控方式释放电量,打破Type-C 5A的限制,将电量透过4A的通道送到手机,进入Type-C後,再由电荷泵将充电电压降至5V左右,同时将电流从4A提升到8A,实现5V/8A的低压大电流快充技术。


在安全方面,华为Mate从第9代开始,便采用5大安全保护点,在每个保护点上设置三层保护网,从充电器、Type-C接头、智能通电晶片、电流分流器、电芯,一共建立5层安全电压保护网、5层安全电流保护网、5层温度监控保护网的15层安全保护机制,进行监测电压、电流,以及温度监控的保护。


此外,华为也针对电荷泵技术增加智能监控与智慧感温系统,一旦手机温度过热时,手机会通知充电器智能调节电压及电流,透过感测手机温度,让手机在充电时能能在安全的状态下,保持最高充电功率。


第三方认证助力测试快充安全性

虽然市面上品牌都在其快充方案中提供安全保护措施,不过充电功率的翻倍提升,也让电缆或设备中的缺陷是否将导致过热,以及假冒的产品流入市面的问题浮出台面,这些都将是在安全上需要考量的问题。


事实上,针对通过USB-IF认证的装置,该协会也建立用於认证设备的USB Type-C Authentication验证(C-AUTH),作为USB Type-C充电器、装置、USB线材及电源装置的验证标准协定,可支援USB 资料汇流排或USB Power Delivery协定进行验证,以防止数据被窜改或非法使用。


一旦主机系统(如笔电、平板电脑等)在USB装置或充电器??入并读取到凭证(certificate)时,C-AUTH便会启动,判断这些装置是否为合法的解密装置,藉此降低PC遭??入非法或恶意Type-C装置及充电器的风险。


另一方面,以目前手机快充而言,为了防止产品在使用过程中,可能产生的危险将造成人身伤害或财物损失,目前包含德国莱因TUV(德国技术监督协会)与国际安全科学机构UL等,都是提供手机快充认证计画的第三方认证机构。


德国莱因TUV安全认证系统,主要从电器安全、充电速度、充电兼容、环境条件四个维度进行验证,并在充电器、线材、IC、电池及终端五个面向进行测试。


此外,德国莱因TUV的安全认证更包含多种多样的环境条件测试,包含千次循环测试、600次独立的快充快放电池寿命循环测试、带电状态下充电埠一万次??拔测试、摄氏-33度~+55度严苛温度区间的充电系统测试等。



图三 : 以目前快充发展来看,在研发上虽然已经连行动装置都能达到100W的快充输出功率,不过事实上,要达到量产阶段,似??也还有一段路要走。
图三 : 以目前快充发展来看,在研发上虽然已经连行动装置都能达到100W的快充输出功率,不过事实上,要达到量产阶段,似??也还有一段路要走。

而在快充技术方面,UL便提出快速充电测试与认证。一方面为了确保开发充电协议的厂商测试充电电源与手机端能否使用正确的沟通协议,正确地互相认识;另一方面也因为即使有沟通协议规范,但产品也可能因设计不同、用料不同而有安全上的差异,因此也针对制造商提出确保产品能安全地进行大能量的传输的认证。


以目前快充发展来看,在研发上虽然已经连行动装置都能达到100W的快充输出功率,不过事实上,要达到量产阶段,似??也还有一段路要走。虽然在研发阶段一切都似??非常理想,不过一旦进入到量产阶段,要以合理的价格设计出既可靠、好用且通过认证的产品,却也成为理想设计夭折的原因。


更多讯息:

USB PD 3.0协议 FRS与PPS

快速角色交换(Fast Role Swap, FRS)


FRS透过使用Type-C连接器的CC接脚来控制及初始化,一旦电源从扩充基座移除,将会利用驱动CC接脚到接地电位(Ground potential)向当前供电设备发出讯号。而USB PD 3.0协议更要求在150μs或更短的时间内实现,无需重新连接电缆或中断系统操作,将可显着提高USB充电效率。


可编程电源(Programmable Power Supply, PPS)


PPS提供逐步改变电压及电流的功能,不仅从早期规范的5V固定电压,扩充至3.0V~21V,可同时满足「高压低电流」与「低压大电流」两大流派的快速充电;也可调整电压幅度为20Mv,实现低压大电流直充。PPS透过逐步改变电压和电流,将可以减少充电期间转换损耗。


双电芯快充


双电芯快充是根据串联分压的原理,在充电器端输出的高压电载入电芯时,将电压分散至每块电芯上,以确保两电芯在充电过程中皆保持於安全电压下。


同时串联双电压省去高电压进入手机内部再降压的过程,可避免发热与效率的损失,相较传统充电技术转化效率仅80%左右,串联双电芯充电转化率高达98%。


OPPO便是利用这项技术,以采用10V5A的充电规格,将其SuperVOOC超级闪充最高功率拉升至50W,并采用3C规格的ATL电芯提升其硬体基础,让SuperVOOC能够承载最高5A的输出电流,进而大幅提升充电速度。


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