作者簡介

本文是第二屆電力電子科普征文大賽的獲獎作品，來自上?？萍即髮W(xué)李澤暉的投稿。

你是否還記得你的第一部手機？

我的第一部手機功能不多，反應(yīng)遲鈍，樣子也不太好看，各方面都不如現(xiàn)在手邊的這位。無線通信技術(shù)的快速發(fā)展推動了智能手機的更新?lián)Q代，電力電子技術(shù)也在這一進程中扮演了極重要的角色。當(dāng)我們回顧手機的發(fā)展歷程時，充電速度無疑是其中一項令人矚目的進步。從最初的“5V1A”到如今的“65W快充”、“200W快充”，手機充電功率越來越大，這究竟是如何實現(xiàn)的呢？讓我們一起揭開手機快充技術(shù)的神秘面紗。

01

你的充電頭是“快充”嗎？

顧名思義，“快充”意味著更大的充電電流和更高的充電電壓，能夠更快地給手機充電。

“快速充電模式”定義如下：一個由適配器、線纜和終端組成的充電系統(tǒng)，從初始充電狀態(tài)開始，至充電30分鐘，期間進入電池的平均電流大于等于3A或總充電量大于等于電池額定容量的60%的充電方式[1]。典型的快充標準有Qualcomm Quick Charge、OPPO VOOC、華為Super Charge等。

手機快充的優(yōu)點很明顯，就是可以節(jié)省充電時間，提高充電效率，讓手機的續(xù)航能力更強。例如，使用蘋果PD快充，30分鐘可以將iPhone 8及以上系列機型充至50%；使用iQOO 10 Pro的200W快充頭，30分鐘可以至少充60%的電量[2]；使用Redmi Note 12探索版的210W快充，30分鐘可以充至少70%的電量[3]。

圖1. 35W手機快充

02

“快充”充電頭里都有什么？

市面上的“快充”充電頭類型和品牌五花八門，這些小方塊們是如何實現(xiàn)快速充電的？不同功率的快充頭之間又有什么差別？在此，我們將快充頭按照輸出功率等級來分類介紹，大致可分為75W以下快充，75W-200W快充，和200W以上快充三類。

75W以下快充

在小于75W輸出功率的快充頭中大多使用的是反激變換器（Flyback Converter）[4]，拓撲如圖2所示。220V市電先經(jīng)過二極管整流橋整流，反激變換器接于整流橋的輸出端，它可以實現(xiàn)隔離降壓，例如將充電頭的輸出電壓穩(wěn)定于5V。

圖2. 反激變換器

然而，傳統(tǒng)反激變換器的連續(xù)導(dǎo)通模式（Continuous Conduction Mode，CCM）會使原邊開關(guān)管產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗。損耗，即是熱量。如果充電頭產(chǎn)生的熱量多而不能及時耗散，不僅會燙手，還增大了損壞的風(fēng)險，存在安全隱患。因此，為了實現(xiàn)“涼爽的快充”，需要降低反激變換器的開關(guān)損耗。

準諧振反激變換器（Quasi-Resonant Flyback，QR flyback）利用軟開關(guān)技術(shù)降低了傳統(tǒng)反激變換器的開關(guān)損耗[5]。QR flyback工作于臨界導(dǎo)通模式（Critical Conduction Mode，CRM）,使原邊開關(guān)管的電壓在其開通之前就通過諧振降低，這大大降低了變換器的開關(guān)損耗。

圖3. 小米35W雙口充電器

QR flyback廣泛應(yīng)用于輸出功率在75W以下的快充頭中，如小米的35W雙口充電器[4]。

75W-200W快充

在輸出功率在75W-200W的快充頭里，實現(xiàn)隔離降壓的仍大多是反激變換器。與75W以下充電頭的不同之處在于，在反激變換器之前還多了一級功率因數(shù)校正（Power Factor Correct，PFC）變換器。PFC的作用是什么？為什么在這一功率等級需要PFC？

圖4. 有橋PFC電路

PFC的作用是使充電頭的輸入電流與輸入電壓相位相同，使功率因數(shù)等于1。這樣做的目的是讓充電頭的視在功率變小，減少無功功率[6]。PFC的常見實現(xiàn)方案是用Boost變換器接于整流橋的后級，通過控制Boost電感電流跟隨整流橋輸出的“饅頭”電壓，來消除輸入電壓和電流之間的相位差。

如果沒有PFC會怎么樣呢？沒有功率因數(shù)校正的反激變換器會存在較大諧波電流。CCC認證實施規(guī)則中涉及的要求及測量方法標準GB17625,1-2022《電磁兼容限值第1部分;諧波電流發(fā)射限值(設(shè)備每相輸入電流≤16A)》，已于2022年12月29日發(fā)布，并于2024年07月01日起實施，替代GB17625.1-2012。新舊兩個國標都對75W以上的用電器的諧波電流有要求。因此，75W以上的快充頭中需要PFC。

圖5. 國標限制諧波電流

反激變換器接于Boost變換器的后級，因此它的輸入電壓更高，對于原邊開關(guān)管實現(xiàn)ZVS的要求更高。為了更徹底地實現(xiàn)ZVS，在反激變換器中引入了更多軟開關(guān)技術(shù)。如在Anke 120W氮化鎵充電器中采用了與英飛凌合作提出的PFC+HFB（混合反激變換器hybrid flyback）半橋架構(gòu)設(shè)計[4]。類似地，iQOO 10 Pro 200W氮化鎵超快閃充采用PFC+ZVS反激開關(guān)電源架構(gòu)[4]，Realme真我GT Neo5 240W氮化鎵充電器采用PFC+QR反激開關(guān)電源架構(gòu)[4]。

圖6. Anke 120W氮化鎵充電器

圖7. iQOO 10 Pro 200W氮化鎵超快閃充

圖8. Realme真我GT Neo5 240W氮化鎵充電器

200W快充

在輸出功率大于200W的充電頭中又有哪些變化呢？反激變換器還能繼續(xù)挑起重任嗎？答案并非肯定。

反激變換器中的變壓器在原邊開關(guān)管導(dǎo)通的時間里存儲能量，在原邊開關(guān)管關(guān)斷且副邊整流管導(dǎo)通的時間里向負載傳遞能量，因此，反激變換器的變壓器承擔(dān)著儲能的功能。隨著充電頭的輸出功率越來越大，反激變換器需要存儲和傳遞的能量也就越來越多，這就導(dǎo)致需要設(shè)計體積更大的變壓器來儲能。所以，大功率場景下的反激變換器由于變壓器體積難以減小，而很難塞進原來那個小小的外殼。

LLC變換器便開始出現(xiàn)在這一功率等級的充電頭中（拓撲方案并非絕對，只是大功率場景中開始出現(xiàn)用LLC變換器的情況，Realme真我GT Neo5 240W氮化鎵充電器便是仍使用反激變換器的例子）。LLC變換器中也有變壓器，但是LLC的變壓器并不用于儲能。所以，即便在大輸出功率的場景中，LLC的變壓器也可以做得很小，同時也具備隔離降壓的功能。但是成本會更高。

圖9. 半橋LLC變換器

例如，UGREEN綠聯(lián)300W 4C1A五口PD氮化鎵快充充電器采用PFC+LLC+SR（同步整流，Synchronous Rectifier，SR） 的高效電源架構(gòu)[4]，蔚來NIO Life 210W桌面充電器采用PFC+LLC的供電方案[4]。

圖10. 綠聯(lián)300W氮化鎵快充充電器

圖11. 蔚來210W桌面充電器

03

為什么“快充”充電頭可以這么??？

從前文中的幾張拆解照片中，我們不難發(fā)現(xiàn)，在充電頭中占體積最大的是被動元件，即電容和磁性元件。若要減小變換器的整體體積，減小被動元件體積是重要的途徑。對于磁性元件來說，如何讓它的體積更小呢？

以Buck變換器的電感設(shè)計公式為例（其中L為電感感值，D為占空比，VL為電感電壓，fsw為開關(guān)頻率，ΔiL為電感電流紋波），電感感值與開關(guān)頻率成反比。也就是說，在相同的電感電流紋波要求下，開關(guān)頻率越大（每秒中開關(guān)管開關(guān)次數(shù)越大），所需要的電感感值L就越小。感值越小，則磁性元件的體積便越小[7]。

提高變換器的開關(guān)頻率可以減小磁性元件的體積。但是開關(guān)頻率與功率器件的開關(guān)損耗成正比，所以開關(guān)頻率的提升會導(dǎo)致開關(guān)管的開關(guān)損耗變大。更大的損耗會產(chǎn)生更多的熱量，極大的散熱需求限制了開關(guān)頻率的提升。

氮化鎵 (GaN) 的出現(xiàn)又進一步推動了這一進程 [7]。GaN是一款寬帶隙半導(dǎo)體，與傳統(tǒng)的硅基功率半導(dǎo)體相比，它可以實現(xiàn)更快的開關(guān)速度。GaN器件結(jié)合軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用可以極大減小功率器件的開關(guān)損耗，從而能提升開關(guān)頻率，減小磁性元件體積[7]。

充電頭的輸出功率越來越大，而體積卻越來越小，這離不開新一代功率半導(dǎo)體器件和磁集成技術(shù)的合力作用。

04

總結(jié)

本文回顧“快充模式”的涵義，解讀各功率等級的手機快充實現(xiàn)方案，分析充電頭功率密度提升的關(guān)鍵要點。電力電子技術(shù)的發(fā)展能夠切實地讓我們感受到“科技改變生活”，小小的快充頭是電力電子技術(shù)快速發(fā)展的縮影。電子電力技術(shù)持續(xù)為更美好的生活快速充電！