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快充知多少详解高通QC2.0/3.0的发展
2017-07-25 11:35  点击数:
时下快充这个话题持续升温,从百度指数检索反馈出来的数据显示,这个词汇1年不到关注度已经超越了移动电源等老牌产品,跻身上升最快的热词。就目前而言,快充包含了众多标准,除了充电五分钟通话两小时的oppo vooc闪充,还有以高通为代表的QC2.0、QC3.0,mtk为代表的mtk pe2.0、pe3.0,USB PD协会的pd2.0、pd3.0等。纵观整个市场,这四大标准以高通qc2.0、3.0发展最为迅猛,已经形成自己的生态链,涵盖了手机、充电器、充电宝、车充,以及无人机领域,周边产品多达上百款,相比其他3大快充产品总和还多。下面充电头网就以高通快充为例,给喜欢快充的小伙伴带来高通qc2.0/3.0的前世今生介绍。
 
┃ 前世
 
“充电5分钟,装逼2小时。“这句话实际上暗示我们,手机对快充技术的渴求源于手机使用模式的改变。功能机时代的手机只有通话和短信功能,屏幕、处理器也比智能机省电的多,使用频率和消耗功率和智能机不可同日而语。从当年的2.5Wh能量到今日的15Wh能量,手机电池能量在短短十年足足飙升了6倍,手机的使用时间却从3天降低到了1天。加上苹果带领的一波不可换电池的风气,于是座充万能充和备用电池这种外部充电方案自然和我们说了再见。手机15Wh的能量全部依靠一个小小的充电/数据接口输入手机。这段短短的电路成了真正的充电瓶颈。跟大多数的行业标准演进的过程一样,手机充电回路的结构从带线的充电器转变为USB充电头,经历了很长的一段时间。而手机端接口从各厂商百花齐放到miniusb在智能机上初露锋芒,又是一段不短的时间过去了。然而随着手机轻薄化和智能化,miniusb却以比当初更快的速度被microusb所取代。2008年htc跟google发布了第一款android智能手机g1,随后g2、g3、g4等等接二连三上市,前几款笔 者还清晰的记得均为miniusb接口,到了gx后初次看到microusb接口,随后这一接口基本统治了android智能机。在手机电池无法拿出充电,而边冲边玩对手机体验的负面影响甚大,对手机安全性也有潜在的负面影响的情况下原本对于手机不是那么紧要的一个参数,这里姑且戏称之为”充电/装逼时间比“,开始成为影响用户使用体验的一个重要因素,这推动了新一代快充技术的诞生。
 
┃ 今生
 
1、应运而生
 
在快充技术发展的初期,充电速度提高的瓶颈主要是microusb接口本身所能承载的电流上限问题。
 
 
 
 
图1.MicroUSB结构图
上图是一个microusb 接口的机械图。可以看到microusb的针脚十分细小。这使得线与接口的接触电阻比大口USB大。因此通过充电电流时产生的热量更多。与此同时,可供散热的面积却比USB-A接口小得多。USB-IF规定的USB-DCP(USB专用充电接口)协议,USB专用充电器提供的充电电流上限是1.5A。然而手机电池容量的快速发展使这个协议很快就过时了。5V1.5A充电电流已经越来越不够用了。
 
高通虽然是处理器与基带芯片方面的翘楚,但是电源管理这块,并不是他们的强项。弥补自身短板,通常有两种方式,投入研发或者是扩张收购。高通选择了收购,对象正是加州的smb公司,不造的小伙伴可以度娘“高通收购xxx”,这在2012年算是行业的重磅新闻,不亚于今天xxx收购飞兆一样。随后,在2013年初,高通就推出Quick Charge 1.0。在5V的充电电压下,将手机充电电流提升到2A,这已经接近了Microusb口安全使用的极限了。充电电流从5V1A提升到到5V2A,手机的充电方案的改变,主要是机内降压电路的变化。从原本的线性降压充电为主,逐步转变为开关降压充电。而外部充电头并没有本质的变化,只是单纯的功率提升,以及引入较高的线损补偿,以便提高充电电流。
 
2、高压充电,业界春风
 
高通并不是usb if协会核心成员,不能左右usb接口形态,更不会参与标准的制定。在QC1.0中实现的5V2A充电电流,事实上已经接近了microusb的物理极限。即使做了很多的优化,microusb接口因长期使用后接触松动,在充电电流的作用下microusb接口烧坏甚至导致充电中手机起火的案例也偶有发生。要在不改变接口的情况下进一步提高充电速度,就需要引入更高的充电电压(HVDCP)。高通为usb接口设计了一套通过改变USB接口的d+、d-两脚电压,实现充电头手机相互识别的握手协议。在手机通过握手协议申请更高电压后,充电器就输出手机申请的电压。
 
图2.USB QC2.0 9V充电
 
 
图3.USB QC2.0 12V充电
 
 
而不支持QC2.0的手机则得到5V电压,使快充充电器仍然向下兼容5V普通充电器。这就是高通QC2.0的充电方式。根据电压档位的不同,又可以细分为classa和classb两个版本。其中A级标准支持5V、9V和12V三种电压,适用于智能手机、平板电脑以及其它便携式电子设备。B级则支持20V电压,最大可以输出40w功率,应用用对充电速度要求更高的设备。
 
 
 
世界上超过8成的手机充电器都来自中国广东,由于传统USB充电器同质化严重,技术门槛低,5v USB充电器的价比白菜,利比纸薄。目前的价格已经降到每瓦一元以下,高通qc2.0快充的出现,不光满足了手机用户对充电时间的需求,还让参与推动普及的整个供应链赚到了合理的利润。
 
高通发布了qc2.0后,一大批上游芯片厂商开始满血复活,如参与标准制定的pi、爱瓦特、飞兆等;此外,还造就了赛尔康、奥海、辰阳、坤兴、航嘉、天宝等大一批年出货量过亿只的充电器代工厂诞生;还成就了anker、aukey、泽宝、掘宝、棒谷等一批跨境电商。
 
对比下3个月来快充、移动电源、充电器的百度指数上升速度。
 
 
 
图4.关键词“快充”的百度指数上升趋势
 
 
快充在2015年前还是一片空白,上升速度没有铺垫,更没有培育,而是直接爆发。可见用户厂商对手机充电速度的渴望到了饥渴的程度,这样的发展速度简单粗暴。
 
3、后2.0时代,速度与效率并重
 
 
 
在QC2.0大获成功的同时,方案本身的缺点也开始暴露出来。首先,在元件工艺水平一定的情况下,高压差(充电输入电压和手机电池电压的差)带来较高的传输效率的同时也带来较低的降压效率。由于手机空间的局限,对充电降压带来的发热远比其他领域的充电应用敏感。因此,QC2.0提高充电速度后,提高充电效率,降低手机发热就成了一个重要的课题。2015年9月,高通在香港宣布推出其第三代快速充电技术Quick Charge 3.0。作为快速充电技术的第三代产品,QC 3.0在同类产品中首次采用最佳电压智能协商(IntelligentNegotiation for Optimum Voltage,INOV)算法。INOV是由QualcommTechnologies开发的全新算法,旨在帮助便携设备具备选定所需功率电平的能力,以在任意时刻实现最佳功率传输,且最大化效率。具体一点说,QC3.0可以通过手机与充电器的协商,让充电器的输出电压以0.2V的台阶升降。配合相应的算法可以实现充电效率的最优化。
 
 
 
图5.QC3.0 6.5V充电的电压图
QC2.0/3.0的生态链
 
高通qc2.0在规划初期,就以生态链的方式运营,在这个链条里,高通大胆借鉴了苹果的made for ios(mfi)认证体系,这也是继mfi、usb-if之后的又一标准认证尝试。
 
高通的qc2.0/qc3.0生态链中分为三类成员,首当其冲的是高通自己,代表性的产品是smb系列输入模块,高通规定凡是输入端需要通过qc2.0/qc3.0认证的产品,如充电宝、手机,都必须要使用其这套充电系统,这是高通获取利润的来源之一;其次是qc2.0/qc3.0的输出识别方案,这部分高通是完全开放的,这也是qc2.0/qc3.0能在短短1年诞生100多款应用的中坚力量;除此之外,第三个就是高通跟ul合作的认证规范,凡是打上高通qc2.0/qc3.0认证的产品,都需要提交到ul位于台北的实验室测试,这里测试费用是按照单个usb接口来计算的,费用约3000美金,约合人民币16000元。需要注意的是,ul将会在东莞的松山湖建立一个认证实验室,目前已经在筹备,届时大陆厂商就不用发到台北做测试,方便不少。
 
与高通qc2.0/qc3.0输出端呈现出百花齐放的局面相比,输入端仅由smb担当,这成为高通qc2.0/qc3.0普及过程中的一个障碍。原因有两点,首先是这套模块设计初衷时给手机用的,由于其独特的bga封装,供应链普遍反映很难加工,完全不适用于移动电源;其次,这套模块的性能并不出众,无法跟上快充的发展步伐,因此很多24w快充的手机上,几乎看不到这套模块的身影。
 
高通qc2.0/qc3.0生态链产品涵盖了充电器、充电宝、车充等配件,但是却忽视了日常使用中不起眼的数据线。因此,很多用户用了副厂数据线后,出现了损坏手机、不兼容等问题,消费者均归咎到了高通头上,这点高通就显得很无辜。
 
高通qc2.0/qc3.0的普及,首当其冲离不开手机厂商在前期的大力推动,而后期,更是离不开跨境电商客户的支持,以anker、aukey、ts、cho、ravepowe、闪电狼为代表的厂商,开发了众多极具特色,深受用户喜爱的应用,使得qc2.0/qc3.0的可玩性大大增强。
 
高通qc2.0/qc3.0除了日常看到的手机快充应用,还延展到了无人机等领域。未来,还会有更多的智能设备接入快充平台。
 
 
 
图6.QC 2.0/3.0之父,高通全球电源事业部门高级总监Everret Roach(左),右边是高通WiPower 无线充老大
 
 
4、未来
高通qc2.0/qc3.0赶上了mircousb退市前最后一波热度,甚至是减缓了microusb退出手机舞台,但是新接口USB-typeC取代Microusb的大趋势不会逆转。虽然在USB-typeC上依旧可以实现QC2.0/3.0充电,甚至比在Microusb上工作的更好,也确实能看到了同时支持qc2.0/qc3.0与type-c的手机。但是特性上更先进,功能更强的USB-PD协议正在崛起。从google nexus转向USB-PD协议可见,以苹果、ms、google、intel为代表的四大天王主导的type-c已经异军突起,形成一股不可忽视的中坚力量。
 
 
 
对于用户而言,四分五裂的快充标准已经跟使用体验渐行渐远。而高通与usb-if的博弈,将会让原本已经硝烟四起的行业充满了变数;明修栈道暗渡陈仓,高通也在拉拢usb-if成员为其开发qc3.0+usb pd的多合一识别方案,还在秘密跟usb-if组织商讨未来融合策略。
 
还记得qc2.0规范中的class b版本么,高通其实有希望通过20v电压输出来使QC占据部分轻薄笔记本充电市场份额,只是苦于自己在pc领域的影响力不足,在推进过程中心有余而力不足。
说到这,不得不提及一下mtk的pe3.0。mtk在此前的快充军备竞赛当中,生态链中的产品十分稀少,并没能与高通抗衡。但这次,mtk选择与usb-if合作,在pe3.0中选择与usb pd融合,从5v 1.5a 5v 3a两档的充电规范的兼容就能看出你中有我,我中有你的味道,由此可见,快充标准竞赛中,没有永远的敌人,只有永远的利益。
 
未来快速充电之路将走向何方,让你我与充电头网共同见证。

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