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从“5V1A”到300W秒充,手机充电是怎么提速的?

来源:晰数塔互联网快讯 时间:2023年03月26日 11:52

本文来自微信公众号:与非网eefocus (ID:ee-focus),作者:刘浩然,原文标题:《从“五福一安”到300W秒充,电源芯片“负重前行”》,题图来自:视觉中国

最近我们被一条新闻吸引了眼球:小米发布300W“秒充”技术,手机仅需5分钟就能把电池充满。

300W是什么概念?这个功率都可以带动RTX4080显卡满负荷运转了,而iPhone14标配的充电头功率也才29W,国产品牌效率能打10个苹果。手机充电速度什么时候变得这么快了?

快充时代的到来,让我们不再拘泥于出门前特意安排充电时间。目前60W~100W的充电功率在安卓平台普及,已经让我们的日常生活感到便利。不过,在这个手机随插随用的时代,你还记得曾经守着手机充电等待出门的时光吗?手机充电器又是怎么从“五伏一安”进化到上百瓦充电的?

充电器“前芯片”时代

很多人或许还对2G、3G时代的手机有印象,那时的手机充电器头被称为“黑疙瘩”。这是因为那时的充电器都在使用变压器,由于物理限制,要想做到较高的电磁转化率,变压器必须要做到很大,铜线缠绕线圈够多才行。理论上通过的电流越大,充电器的体积也就越大。

传统充电器头的结构通常包含变压器线圈、整流器、基准电压源、光耦反馈等元器件。而它的核心结构就是一个硕大的变压器。

变压器

手机充电器中的变压器由两组线圈与铁芯组成,它利用法拉第电磁感应定律来改变交流电的电压,不改变电源频率。从图片上看,220V市电从左边的线圈中流入,并在铁芯中产生磁场,这个变化的磁场通过铁芯传到右边的线圈并产生感应电流。在理想的情况下,左右两边线圈中的电压比值就是线圈数量的比值。

以经典款摩托罗拉L7的充电器为例,它的充电规格为5V 0.55A,这就需要变压器左边的线圈缠绕圈数是右边的44倍,这样变压器输出的电压就降到5V,再通过滤波稳压转换等步骤转换为与手机适配的直流电。

然而现实中的变压器是不可能完全做到100%转化效率的,例如铜线电阻、铁芯涡流、磁力流失等原因都会导致能量转换不理想,越小的变压器能量损失越严重,这些流失的能量往往会转化成热量散发出来。为了提升转换率,降低涡流与电磁损失,充电器的铁芯一定不能太小,铜线线圈也要绕得更多更密集。大、沉、烫成了这种老款充电器的明显特征。

其实,提升电磁转换效率,除了增加线圈数量、增大铁芯大小外,让电路的振荡频率变高也能做到。频率越高,铁芯的磁通密度越低,铁芯损耗越小,效率越高。不过我们用的市电都是50Hz的,调整电压电流变压器就能做到,但调整频率应该怎么做呢?

开关芯片上线

假设我们手里有一颗恒压直流电池,那我们怎么让电池输出交流电呢?最简单的方法就是快速开关并反转电池的方向。我们每秒钟反转一次电池方向(转一圈转回来),就对应的是1Hz。现在为了提升变压效率,我想要输出10000Hz的交流电,难道要每秒钟用手反转电池一万次吗?

这种看似不可能的事情,MOS管就可以轻松做到。MOS管分为P型与N型,每个MOS管都有栅极、漏极、源极与衬底组成,栅极通过绝缘层与衬底隔开。MOS管内没有机械开关,驱动它仅需要电压不需要电流。

场效应晶体管(MOS管)

MOS管的G(栅极)端与S(源极)端的电压从0升到启动电压的时间越短,那么MOS管的开启速度也会越快,同理,电压降低到0的时间越短,MOS管关闭的越快。问题来了,我就是需要MOS管输出高频电路,去哪里找另一个高频信号来驱动它?

MOSFET驱动芯片可以做到。它基于PWM的方式来驱动MOS管工作。驱动芯片内部具有振荡模块,利用电容的充放电形成锯齿波和比较器来生成占空比可调的方波。这样我们就得到一个频率可调的MOS管驱动电源了。

某开关电源芯片内部电路

输入变压器的频率提高后,相同电磁转化率的充电器变压器内就能少缠绕很多线圈,对应的变压器大小也会减小,这就是智能机时代充电器体积突然变小的真正原因。硅基开关芯片频率可以做到40KHz以上,相比50Hz的市电提升了近千倍。

不过随着手机芯片性能的提升,消费者对于充电速度不再满足于“五伏一安”,更快的充电速度意味着更高的工作效率,这时一家国产手机厂站了出来,用一句脍炙人口的广告词宣誓着快充时代来临。

充电5分钟,通话两小时

2014年,一句著名的广告词响彻大街小巷,“充电5分钟,通话两小时”成为OPPO手机发布时喊得最响亮的广告词。

彼时智能手机刚刚进入快速发展阶段,4G商用为移动市场注入前所未有的活力,国产手机迎来爆发式增长。以当年发售的华为P8为例,它配备了一块2680mAh的电池,充电器为5V1A,官方介绍理论电池充满时间为3小时,据媒体实测电池放空大概要3.5小时可以将手机充满。不过更高算力的芯片、更大的屏幕、更多的APP都在蚕食当年容量有限的电池,手机轻薄化的趋势也让电池容量做不了太大,人们不得不经常守在充电器旁边等待手机充满。

2000多毫安时的电池还要三小时,这怎么够,我做生意分分钟几个亿的!初中我们学过的功率公式P=I×V,提升功率只需要拉高电压或电流就行了。不过锂电池在高压充电时会放出大量热量,如果单纯地提升电压来拉高功率,安全隐患很多,从用户体验角度来说,谁也不想在盛夏抱着暖炉打游戏看视频。

所以OPPO选择了“低压高流”方案。OPPO通过在充电器中集成了本该在手机中的降压芯片,并提升充电头和连接线路的宽度,以适配大电流充电。不过这也导致OPPO的充电头体积过大,在当时的一众mini充电头中格外显眼。

后来厂商们又找到了一个很讨巧的方法绕开了电池的发热难题,那就是将电池一分为二,用并联的方式同时给“两块”电池充电。在电路中串联的两个小灯泡,它们的电流相同且平分电压,采用这种“双电芯”的方法可以在更高电压的情况下,直接将充电功率提升两倍,还能避免高电压直接流入电池引起发热。

除了“低压快充”和“双电芯”方法外,华为还将“电荷泵”技术引入手机。这种手机可以直接将高压电流输入手机中,电荷泵会在手机内部将电压降低,创造出“低压”环境,这样既能减少充电头大小,也能避免手机充电发热的问题。

不过在厂家们进行充电速度军备竞赛的时候,别忘了还在“负重前行”的电源芯片。要知道,MOS管在快速开关的过程中也并不是没有能量损耗的,越高频的电路,电流处于单向流通的时间就越短,能量损耗就更小。此外,越高频的电路,充电头内所需要的电容就越小。总的来说,提高频率就能有效地降低充电头的大小。

那无限地提高频率不就行了?并不全对。当MOS管在关闭过程中,储存在变压器寄生电感中的能量会耗散在缓冲电路中,如果开关频率太高,这部分功率损耗会大幅度增加而导致电源显著变热,这个特性在硅基半导体上较为明显,因此人们逐渐将视野放到了硅之外。

第三代半导体

我们日常见的最多的芯片都是以硅为基础,从硅片上进行光刻、刻蚀等步骤产出芯片。然而在高频电路中,硅基受限于较小的禁带宽度,在MOS管开关过程中损失的能量更大。此外,高频电路的放热也会更多,硅材料在超过60℃后的高频性能会有明显下降。最重要的是,使用高频硅基芯片的充电头太大了!

硅基材料功率器件极限,图源 | 中信建投

为了解决这些问题,近年来的半导体新宠——第三代半导体来了。目前用在充电领域的第三代半导体主要是GaN(氮化镓)与碳化硅(SiC)。相比硅,第三代半导体有着更高的临界温度,在更高温度下工作产生漏电的概率会低很多,此外,它们还有更高的临界击穿电场、更高的热导率、更高的饱和电子速率和电子迁移率等优势,它们也被称为“宽禁带半导体”。不过新材料的作用主要在减小体积方面。

GaN相比SiC,在小电流高频率上优势更大,因此在手机端GaN逐渐占据大多数市场。GaN晶体管的横向结构使其具有极低电荷特性,能够在数纳秒内切换数百伏特,切换频率可达数兆赫,这个性能可缩小功率转换器体积。

硅基功率器件与GaN对比,图源 | 品利基金

有了第三代半导体,充电器中的电源芯片又可以“愉快”地在更高频率下“负重前行”了。

我们回到文章开头,小米官方介绍它们的300W快充时说,300瓦秒充采用第四代GaN集成化方案,基于双串电池设计,电芯输入电流高达30A。不过雷军在发布会上也说,这个功率仅能在“魔改版”的Redmi Note 12 Pro上实现,距离实装还有点距离。而且充电功率也仅是在峰值维持300W,毕竟相同功率的RTX4080都得上三个风扇。

就目前的技术进展来看,由于第三代半导体的普及,手机充电功率再次进入“全速前进”时代。“充电5分钟,通话两小时”的到来,让手机厂商敢于装配更大容量的电池,让更高性能的芯片得以装在手机上。那“充电5分钟,从零到一百”时代的到来,还会怎么改变我们的生活呢?

本文来自微信公众号:与非网eefocus (ID:ee-focus),作者:刘浩然

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