文 | 手机设计大赛暨天鹅奖特约记者 钱江
手机已经越来越离不开快充。随着5G智能手机屏幕越来越大，用户对续航的要求越来越高，在电池技术没有实现越维突破的情况下，快充几乎是目前手机厂商能拿出的最佳续航解决方案。本文将就手机快充的机理、发展现状以及面临的问题进行探讨。
原理
快充，也就是快速充电的简称，原理非常简单，就是增大充电的功率，因为输入的功率变大了，充满相同电量的时间自然减短了。但要实现科学的快速充电，其中的机理又较为曲折，因为增大功率无非是增加电压或者电流，其中任何一项的增加，都会对手机电池造成负荷，如果无法快速散热，很可能导致电池因局部发热导致鼓包甚至爆炸,所以目前行业普遍采用的快充方案是在前5~10分钟放开手快充，之后的时间里通过电池管理芯片进行自动调节，实现总体的充电加速。从原理上来讲，手机快充主要分为“高压小电流”和“低压大电流”两种方式，早期的快充以“高压小电流”方式为主，而近年来的大功率快充都以“低压大电流”为主，为了保证充电功率以及降低散热损耗，目前行业普遍的做法是在手机内加入了名为“电荷泵”的元器件（也叫做直流变压器），同时配合多电芯电池结构，将手机充电线传输过来的“高压低电流”转化为“低压高电流”， 实现最终的快充效果。
要实现快充，快充协议必不可少。快充协议可以理解为手机和充电器之间的“暗号”，手机和充电器都有一个协议芯片，核对“暗号”也就是协议，手机和充电器握手成功，充电器按协议约定的电压和电流输出给手机，手机就能够进行快充，否则充电器就只能按照最基本的5V1.5A或5V2A输出。
目前市面上存在多种快充协议，按照通用性分为“私有快充协议”和“公有快充协议”，私有快充协议大家估计很熟悉了，很多手机发布会上还专门提到过，包括华为的FCP（Fast Charge Protocol）和 SCP（Super Charge Protocol）快充协议，小米的Mi Turbo Charge、OPPO的VOOC闪充协议，vivo的FlashCharge协议、三星的AFC协议、realme的DART协议、一加的WARP协议等。
公有快充协议方面，主要有高通的QC（Quick Charge）协议、联发科的PE（Pump Express）协议、USB的USB-PD（Power Delivery）协议，上述让人眼花缭乱的各种私有协议，很多就是基于三大公有协议的厂商改进版。
由于手机厂商在快充领域各自为战，导致市场快充协议过于凌乱，目前有关部门和组织也正在呼吁形成较为统一的快充协议并推行，避免用户重复购买充电器导致生态污染。
发展现状
快充按照充电方式的不同，分为有线快充和无线快充两种方式，有线快充从2010年起步，USB IF于该年颁布了USB BC 1.2协议，结束了当时USB充电不规范的混乱局面，也同时将充电电流提升到了1.5A，USB充电接口的最大功率达到了7.5W，这是手机快充开跑的起点，有线快充发展较为缓慢，直到2018年后随着国产手机全面发力该领域，从而进入快车道。无线快充则发展时间更晚一些，2018年10月，华为Mate 20 Pro发布，支持15W无线充电输出功率。一年之后的2019年，小米9 Pro支持的无线充电输出功率就增加到30W，手机厂商同时开启无线快充领域的全面竞争。
从2010年起，经过12年时间的发展，有线快充已经从初期的7.5W级别迅猛增长到目前主流的50~100W级别，且功率数值还在不停突破界限，目前市面成熟商用的有线快充功率为120W级，包括小米、红米、黑鲨、努比亚、红魔、iQOO等品牌都有对应旗舰款手机。行业正在推进165W有线快充，而包括小米、OPPO等厂商已经具备200W快充实验室成功案例，相信距离大规模市场商用已经不远。
无线快充发展非常特殊，从2018年起短短四年，部分厂商就已经出台了120W的无线快充方案，但来自工信部《无线充电（电力传输）设备无线电管理暂行规定》显示，自2022年1月1日起所有生产、进口在国内销售、使用的移动和便携式无线充电设备额定传输功率要求不超过50W。该规定让更高功率的无线快充方案只能停留在实验室中，但很大程度上保证了无线充电的安全性。
在产业布局上，快充相关厂商业务发展呈现多元化趋势，多数头部厂商已经将业务拓展至从设计方案到模组封装乃至零售市场等各个领域，在国内厂商地理分布上，也从早期的东部和东南沿海城市和地区逐渐向华中、东北等地区扩展。
弊端和局限性
要指出的是，快充并非手机续航的完美解决方案，其中较明显的问题就有两个，一个是之前提到的快充会导致电池发热，如果手机温控能力不够，伴随着一定的危险系数，针对这个弊端，手机厂商的解决办法是增加手机散热能力，及时导热，市场上几乎所有快充手机都含有石墨烯材料散热就是这个原因。另一个弊端就是，快充其实会损害手机电池的寿命，充电倍率越高，对电池的伤害越大，从而减少电池的充放电次数，正常手机电池完整充放电次数为600个周期，考虑到很多用户并不会每次都从零开始充电，上述周期次数可以扩大到1000以上，针对这一弊端，厂商有着相应的措施，智能控制充电速度已经是标配，至于电池的使用寿命缩短问题，按照目前用户2~3年的换机周期，在电池出现明显问题之前，手机可能已经更换，所以影响并不算大。
值得注意的是，快充速度目前已经进入瓶颈期，在已知非常成熟的120W快充条件，也就是20V/6A充电情况下，充满一台4500mAh电量手机的时间大约需要15~20分钟，实验数据显示，165W快充能将充电时间提升到13分钟左右，但对于普通用户而言，缩短的几分钟感知并不强烈，据悉在2022年末，200W快充将会得到实装，充电时间很可能会压缩到10分钟以内，前提是电池容量保持在目前主流的4500nAh的情况下。
还能怎么突破
下一步，手机快充如何走？短期来看，氮化镓材料充电器是趋势，氮化镓（gallium nitride，GaN）被称为第三代半导体材料，其运行速度比旧式传统硅（Si）技术加快了二十倍，并且能够实现高出三倍的功率，意味着采用氮化镓材料制作充电器时，在尺寸相同的情况下，输出功率可提高三倍。目前有近百家快充相关厂商开启了氮化镓快充产品线，行业预计2025年全球GaN快充市场规模将达到600多亿元，市场前景非常可观。
不得不提的是，有线快充还会在功率值上继续比拼，但提升的空间恐怕有限，行业更为期待的是电池技术与快充能力相匹配的方案，毕竟想要池子水多，靠龙头出水快仅仅是一方面，蓄水的池子也得足够大才能实现目标。在充电技术上，已有厂商开始实验让充电环节无感的隔空充电方案，此外包括WiFi充电、动能充电、体温充电、声音充电等技术也已经在探索的路上，可以说快充也许能看到终点，但手机续航的未来依然充满无限想象。
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