快速充電技術 提升充電效能亦需關注設備安全
- DIGITIMES企劃
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隨著智慧手機、平板電腦的效能越來越強、整合功能日趨豐富，智慧行動裝置在輕薄化設計方向下電池效能也備受考驗，為提升用戶體驗，新一代快速充電功能也成為智能設備的重要賣點。
快速充電技術發展迅速，自Qualcomm與MTK等行動運算晶片大廠、紛紛與PMIC供應商合作，分別推出Quick Charge 2.0和Pump Express快速充電方案擴張應用市場，德州儀器2015年也推出了自有Fast Charging專利快速充電通訊協定，以更高的設計彈性與進階鋰電池效能控制，搶食快速充電應用商機。
手機耗電量增加 搭載大容量電池已成常態
尤其是智慧手機大廠越來越重視電源管理的相關功能，在智慧手機紛紛以追逐大尺寸屏幕、高效能運算核心等重點功能升級，隨之而來的亟待改善的電池效能優化、設計限制困境突破，就成為各家智慧手機大廠產品差異化與市場區隔的重要訴求，加上為了擴增智慧產品的電池續航力，智慧手機、平板也紛紛搭載4,000mAh甚至是6,000mAh高容量鋰電池，充電效能差距即直接影響用戶使用設備的體驗。
目前，業界對智慧手機或平板電腦的快速充電定義，檢視業界速充應用規格，可以大致分為將功率提升至15W或20W以上、能在30分鐘內完成內建電池0至80%電池電量稱之，在1.5小時內完成電池100%容量，接著再進行各家快充方案做法與效果，也能理解不同技術方案的差異。
手持裝置快速充電技術需求殷切
Qualcomm的Quick Charge技術，是業界較早推出快充平台的解決方案，發展至Quick Charge 3.0已能支援0至80%充電僅需耗用35分鐘的急速充電效率，一般常規未支援Quick Charge的行動平台，要充電至80%至少需要耗費1.5小時。Quick Charge 3.0為運用最佳電壓智慧協商(INOV)演算法的快速充電技術，INOV可在行動裝置上自行判斷最合適充電功率等級進行裝置充電，將能源轉換的效率極大化，Quick Charge 3.0較前代QC技術提升38%充電效能，同時搭配額外保護機制延長電池壽命，若能與併聯充電模組搭配整合，充電效能還可再提升，目前可搭配新一代Snapdragon SoC平台整合使用。
若以Quick Charge 2.0和Pump Express快速充電方案檢視，這兩種快充技術必須搭配對應的SoC處理器與配套PMIC組合，雖然略為限制其系統設計彈性，但對於智慧設備若已選用對應的SoC，也能以最快的方式、最少的開發資源，在新產品導入快速充電方案，而對於德州儀器主推的Fast Charging專利快速充電通訊協定，則未限制處理器架構，提供更彈性的電池管理設計空間，系統廠可以運用分離式設計導入智慧手機或平板電腦設計中，同時，設備本身也能針對鋰電池安全控制、耐高電壓、動態功率控制等提供更多設計彈性，開發更獨特的電池速充系統。
手機業者自行開發獨特閃充技術回應市場需求
除市場上的Quick Charge 2.0、Pump Express與Fast Charging速充技術外，也有業者選擇自行開發獨特的快速充電方案，如大陸智慧手機業者oppo的VOOC閃充快速充電方案，即標榜可讓用戶在30分鐘內將手機電池充滿至75%電量水準，急速充電模式可在5V/5A條件下進行大電流充電，搭配VOOC充電器、特殊規格充電線、主機板、電池，始能實踐僅耗30分鐘即能將電池自0%充電至75%的快速充電設計目標。
原有的行動裝置充電技術，其實會產生充電速度體驗不佳的肇因在於，當設備所搭載的電池容量不斷提升，而裝置為了求設計薄化、產品設計美觀，大多趨向使用一體成形的機構而非選擇可拆換式電池設計，在電池擴增、充電迴路仍僅限使用USB介面傳輸的結果，即用戶為電子設備進行充電耗費的時間也就越來越長。
USB PD電力傳輸規範 最高可將電力傳輸擴增達100W
而電子設備系統效能肯定是會越來越高、搭載的電池越換越大是不可迴避的趨勢，為了改善設備的充電使用體驗，勢必要從充電電力的來源著手才能竟其功，在充電介面方面，以USB介面2.0規格充電應用大多僅能用到2.5W(5V/500mA)電力供應，而USB 3.0介面提升至4.5W(5V/900mA)，雖有將近一倍的輸出提升，但實際上因應電池動輒2500mAh以上的行動設備仍顯得緩不濟急。針對USB介面的電力傳輸應用優化，自USB BC(Battery Charging) 1.2擴增至7.5W(5V/1.5A)輸出，甚至在USB PD(Power Delivery)下甚至可以達到100W輸出水準。
若針對行動裝置的快速充電要求，在顧及設備的回溯相容性，固定充電電壓、提高速充模式下的充電電流，似乎是個合宜的解決方案(如oppo的VOOC閃充技術方案即是以此概念實踐快速充電應用)，但實際上在5V變壓器上提升輸出電流、進而提升充電功率，其實必須追加特殊的線路與零組件，尤其是2A以上電流需使用特殊連接器，同時也增加了系統成本，對於充電傳輸線材增長所導致的阻抗增加，線材也容易出現電壓差造成充電效能不如預期。
在安全範圍內最大化充電效能 成為快充技術開發重點
也因此，主流快速充電技術多半朝提升電流、電壓兩方面著手，尤其在電壓提升方面會較提升充電電流為佳，例如TI的MaxCharge方案最高可以將充電電壓提升至14V，MediaTek的Pump Express Plus在充電電壓可提升至12V，Qualcomm的Quick Charge技術，在QC 3.0版本可以以200mV的增量將充電線路的電壓逐步提升至20V水準，以達到在安全範圍內的充電效能最大化提升。
在前述設計限制之下，電池系統若因應快速充電需要高達10W~15W的充電功率時，快速充電系統可以因應需求轉而提升輸出電壓至9V/12V甚至20V水準，而在相同的電源應用條件下，採較高電壓的充電器所需的輸入電流相對較低、輸入電壓空間較大，因此也滿足電池電壓的快速充電需求，但比較可惜的是採用較高電壓變壓器進行快速充電應用支援，在充電器回溯相容性相對較差，若用戶以舊有僅支援5V的設備接入進行充電，可能會因為電力過電壓啟動線路保護措施，導致設備無法正常充電、甚至造成設備損壞。
然而，因應快速充電的使用需求，尤其是USB介面基於電力傳送(Power Delivery；PD)需求，也有新式的混合常規變壓器使用需求與整合高電壓輸出的速充需求設計推出，新一代混合式充電器設計在設備追加更多輸出模態轉換設計，如透過變壓器內置的MCU與系統控制器交換資訊，進行快速充電電力輸出需求確認，原本變壓器初始電壓仍為常規5V/2A輸出，當確認系統可進行對應的快速充電程序時，即將輸出電壓逐步自5V/9V/12V甚至20V步進調高輸出電壓，以達到快速充電的基本要求。
提升充電效能 亦需關注電池與系統安全性
然而，透過輸入電壓/電流提升建立的快速充電技術基礎，基本上提升充電功率連帶也會產生電池的安全疑慮，例如，充電器過電流、過電壓輸入，或是電池進行快速充電導致元件高熱問題，此時，為確保充電過程嚴密追蹤充電處於安全狀況之中，充電器與行動裝置系統間仍須透過演算法或資訊傳遞隨時掌握快速充電系統狀態，當系統出現安全疑慮時可隨時將快速充電模式轉至常規充電模式，甚至直接關閉輸入電源維持系統安全。
對於支援快速充電的行動裝置，由於對電池的充電操作以最大程度地提升充電效能，必然須對電池增大輸入功率，電池也會因此導致壽命與儲電性能縮減，理論上若搭配行動裝置系統監控、PMIC電池安全與管理，同時搭配充電器AC/DC使用安全掌控，雖可達到在可控條件下盡可能提升充電效能的設計目標，但設備的充電安全設計仍是行動裝置的首要考量。
以現行需綁定SoC的快速充電方案、或是採分離式架構的快速充電協定、甚或是廠商自行架構的快速充電系統，其設計均必須針對電池元件進行更進階的控制與監測，同時在設備端、充電器端針對過電壓、過電流、溫度安全保護等進行進階管理，搭配充電模型或是充電演算法智慧調校充電功率，以達到在進行快速充電的同時亦能有效確保電池效能表現不至於過度耗損，確保電池的使用週期與安全性表現。
