手機充電都幹到320瓦了？爲啥我的手機還是隻能“五福一安”？
文章開篇之前，先問大家一個問題，大家平常有留意過自己手機的充電功率嗎？
曾經用過前幾代蘋果手機的朋友們，你們還記得原來“五福一安保平安”的故事嗎？
之所以會跟大家聊這一點,是因爲就在昨天真我手機發布了它們最新的快充技術。
充電功率已經來到了驚人的320瓦，充滿一臺4400毫安的手機只用了4分20秒，直接給我身邊的一位果粉看破防了。
明明是兩臺同時代的手機，一個30瓦，一個300瓦，充電功率相差10倍，要不是智子還沒有出現的跡象，我都要以爲我們中國廠商突然間獲得了三體科技呢。
不過從早期的“五福一安”（5瓦），到如今的30瓦，300瓦，看上去似乎僅僅只是數字的增加，但是快充技術發展的背後其實還存在着很多有意思的技術和故事。
充電技術的發展史
其實如果我們把充電過程簡化一下的話，手機充電完全可以類比給水桶灌水，想要提升水灌滿的速度無非就是兩種方法，一個是加粗水管，一個是加快水流速度。
那麼回到充電上，加粗水管就好比提升電流，加快流速就好比提升電壓，套用我們初中就學過的公式“功率=電壓*電流”，大家可以發現電壓、電流無論提升那一個充電功率都會提升。
但是由於目前材料與工藝的限制，盲目地提升電壓與電流往往會造成設備損壞，所以目前大多數具備快充功能的手機往往都會要求“專線專用”。
只有當充電器與手機的充電協議匹配上的時候，才允許使用快充，如果無法匹配則一律採用最低標準來進行充電，以避免發生事故。
如果大家還對早期的手機有印象的話，應該會記得這種圓形DC插頭。
這個玩意一般是專門用來做供電用的，因爲插頭部分只有用於供電的正極和負極，無法傳輸數據，所以它的電壓與電流往往是在出廠前就已經規定好了的。
但就和現在的手機充電各種規格魚龍混雜一樣，那個時候的充電器差不多也是專線專用，而且因爲無法傳輸數據，也就沒法握手充電協議，所以這種插頭一旦混用，很容易就會出現因電壓或電流過高導致的設備損壞問題。
爲了解決這一點，USB協會出面規定了統一的充電規範，即標準電壓爲5伏，最大充電電流爲0.5安，總計2.5W的功率。
隨着智能手機的逐漸普及，大量手機都因爲數據傳輸的需要而換裝了micro USB接口（也就是那種老式的安卓頭），手機充電市場就此得到過一段短暫的統一。
當然了，這個統一指的是當時的安卓與WindowsPhone等手機，那會蘋果已經發布了lightning接口，用上了五伏一安的5瓦充電功率。
是的沒錯，沒想到吧，被各位詬病多年的蘋果“五伏一安”在那個時代其實還是正兒八經的“快充”！
不過後來隨着智能手機性能一日千里的大跨步發展，USB協會很快就意識到了先前的功率已經跟不上新時代的步伐，所以它們在新的標準中額外增加了BC充電協議，在與設備成功握手後，可觸發5伏1.5安最快7.5w的充電功率。
但這個功率還是有一部人覺得不夠，於是就在不久後，高通發佈了自家的QC1.0協議，進一步把功率拉高到了5伏2安，10瓦的充電功率成爲了智能手機新的標準。
大電流與大電壓方案的分流
從前面的描述中大家其實可以發現，先前的快充技術發展其實一直遵循的都是加大電流的方式，那麼爲什麼從來人想過加大電壓呢？
這是因爲我們的手機在使用電池供電時，鋰電池的額定電壓就是4.4或4.5伏左右。
如果大家還保有先前的可拆卸手機電池，或者有拆解過自己的手機的話，應該都能在電池上找到相應的標識，而充電器爲了要實現給手機充電，勢必要存在一定的電壓差，這時候和4.5最接近的5伏自然就成了最好的選擇。
但是一味的增加電流也總歸會有一個極限，而對於Micro USB來說，2安就是這個極限，一旦電流超過2安，那麼手機就會存在過載風險。
而對此高通給出的方法是，通過在手機內增加一個BUCK降壓電路的方式讓手機來適應更大的電壓。
就這樣高通在保持2安電流不變的前提下，把充電電壓提升到了9伏，實現了18w的快充，這也就是高通的QC2.0。
簡易的BUCK降壓電路
BUCK降壓電路的邏輯其實並沒有多複雜，它裡面最爲核心的一個元器件就是電感。
電感的特性是不允許電流突變，所以當我們給電感加壓供電時，電流會從0安逐漸開始上升，而當供電斷開時，由於電感的存在，電流也不會突然消失，而是從峰值電流逐步減小到0，利用這個特性，我們就可以通過控制電路的接通、斷開的時間來實現電壓的降低了。
簡單一點說就是當我們給電感通電時，電流會逐步地上升，而因爲負載是不變的，所以電流上升的同時負載電壓也會逐步上升，當負載電壓上升到6伏時，我們斷開電路，受電感影響，此時電壓會逐步下降，當電壓下降到4伏時，我們再重新接通電路讓電壓上升。
如此這般循環。只要保證電路以一個穩定的週期接通和關閉，這樣我們就能得到一個由9伏降壓到5伏的電壓了。
以上過程循環往復
不過這個別看這個降壓電路實現起來很輕鬆，但它有一點不好，就是會有損耗。
雖然輸入側的9伏2安，經由它轉變成了5伏3.6安，但實際上因爲損耗的存在，有不少電量實際上以發熱的形式被髮散掉了，所以實際充進來的電比理論上的要少。
而且因爲手機屏幕在點亮時也會發熱，要防止過熱就會進一步影響大電壓模式的充電效率，以前很多人覺得邊玩手機邊充電速度很慢就是這個原因。
看到這裡，有些朋友可能會說，既然降壓電路放在手機裡會因發熱產生損耗，那麼直接把它放在充電頭不好嗎？
哎，還記得我們前面提到的Micro USB的電流極限嗎？降壓之後的3.6安的電流已經超過了Micro USB的最大安全電流，這樣使用會有安全風險的。不過如果要是魔改一下Micro USB接口，再加粗一下電纜，大電流方案也不是不行。
這個方案的代表就是大家熟知的喊出“充電5分鐘，通話2小時”的OPPO了，如果有用過早期OPPO快充手機的朋友應該還記得，它們當時採用了比常規Micro USB更寬的接口，在原本5伏2安的基礎上又新增了一條5伏2安的供電引線，通過這樣的方式實現了5伏4安，20瓦的充電效率。
這種快充方式雖然存在“專線專用”的缺點，但因爲沒有BUCK電路的困擾，充電時手機相對發熱並不明顯，而且亮屏息屏對充電速度也基本不會造成影響，從使用體驗角度來說，我個人覺得是比大電壓方案要好的。
如果說Micro USB時代，限制充電效率的是接口與線材，那麼到了type-c時代，我個人感覺，唯一能限制充電速度的恐怕就是人類的想象力了。從27瓦，到100瓦，再到200瓦，300瓦，如果不是因爲蘋果還在，我都要以爲人類突然獲得了外星科技了呢。
開個玩笑。
其實在剛剛換裝type-c接口的那個時期，當時的快充並沒有什麼技術上的革新，只不過是因爲接口規格的提升，從而連帶着充電功率也有了相應增加。
高通的9伏2安方案，因爲電流限制的放開，從而把電流從2安提升到了3安，功率來到了27瓦，而以OPPO爲代表的5伏4安大電流方案，也因爲type-c的普及使得電流得以進一步上升，來到了5伏6安，30瓦的充電功率。
其實按照type-c的規格，做到100瓦甚至200瓦以上都是可以的，只不過當充電功率上升到如此高的時候，BUCK降壓電路的損耗也會水漲船高到一個相當離譜的水平，同時受限於線材和電池內阻的困擾，高電流方向也同樣進展緩慢。
所以很長一段時間，快充的極限速度都一直只能保持在30瓦以下，直到電荷泵技術的出現，才終於打破了這一僵局。
超高功率時代的到來
與BUCK降壓電路不同，電荷泵的核心元器件不是電感而是電容，這兩個元器件的性質剛好是對應的，電感我們前面說過了是不允許電流突變，而電容則是不允許電壓突變，所以當我們給它輸入一個固定的電壓時，它會從零逐漸提升到給定的數值，而當電路斷開時，同樣的，它的電壓也不會突然消失，而是逐步降低直至電壓爲零。
正因爲電容有着這樣的特性，通過週期性地給它充電和放電，手機就能很輕易地在承受能力不變的前提下接受更高的充電電壓，從而提升充電功率。
簡易的電荷泵電路圖
通過上面這張簡易的電荷泵電路圖，大家可以看到，電荷泵的工作原理其實也並沒有多複雜，它的整個運行邏輯，主要是通過電路中的幾個開關來控制電路的當中的電源在外部供電和電容之間切換，原理我們可以簡化成下面這樣：
假設我們通過調整開關，使用10伏電壓的充電器給手機供電，在電路剛剛接通的瞬間，電容C的電壓爲0，負載電壓爲10伏。
而隨着時間的推移，因爲電容的固有特性，電容C的電壓會逐漸上升，而因爲電容與負載是串聯的關係，當電容電壓上升時，對應的負載電壓也隨之下降，當電容電容上升到6伏時，此時負載電壓已經下降到了4伏。
這時候我們再通過開關斷開外部電源，由於電容的特性，此時它會從充電轉變成放電狀態，於是在於負載形成的新電路中，電容變成了新電路中的電源，此時負載電壓也就變成了電容電壓相同的6伏。
隨後由於失去了外部輸入電源，電容電壓會逐步減小，於此同時負載的電壓也同步減小。
當電路電壓減小到4伏時，我們再重新調整開關，連接上外部電源，此時負載電壓會上升到6伏並隨着電容電壓的逐步提升而減小。
當電容和負載電壓又再次變回6伏與4伏時，再次斷開電路。
如此這邊循環往復，藉助電容這個元器件我們就成功地把輸入端的10伏高電壓轉化成了負載端的5伏低電壓。
當然了，前面說的這個只是電荷泵的簡易原理，實際的應用在我們手機端的電荷泵還需要搭配相關的電源管理芯片來進行精細化的調整。
相比於前面提到的BUCK降壓電路，因爲它獨特的工作特性，使得它的能耗損失降低了非常多，目前市面上的主流手機幾乎都可以做到98%到99%的充電效率。
紅米發佈的300瓦快充架構
不過單單隻有一個電荷泵還不夠，讓現在手機充電效率提升這麼多的，還有另外一項不可或缺的技術，多電芯。
其實早在智能手機時代之前，那個時候的大部分手機其實大多采用的是多電芯的鎳氫鎳鎘電池，只不過隨着後面手機逐漸朝着大屏幕和輕量化的趨勢發展之後，能量密度更高的單節鋰電池逐步成爲了主流。
早期的鎳氫鎳鎘電池
單電芯的優點有很多，包括容量大、充放電鏈路簡單，不用考慮電芯一致性等等，但唯獨有一點它做不好，就是充電速度的上限太低了。
而多電芯，因爲採用多個電池串聯的電池組設計，使得采取這種方案的手機天生的滿電電壓就比單電芯更高。
我們以雙電芯手機爲例，傳統的單電芯電池電壓我們前面說過，一般在4.4到4.5伏，而串聯雙電芯電壓翻倍直接來到的9伏，也就是說在相同的安全電流下，雙電芯可承受的電壓天生就比單電芯要多一倍，有了它再疊加前面的電荷泵技術，以及現在更加先進、承受能力更強的電池和線材，智能手機充電功率能有如此大幅的提升也就不足爲奇了。
像是我們開頭部分提到的真我發佈的320瓦快充，就是用到了四電芯的設計，對比單電芯，從功率上提升了足足4倍。
不過呢，有得必有失，多電芯技術自然也不是一點缺點都沒有的。
首先一點就是因爲多塊電池串聯的結構，導致它的空間利用率不如單電芯方案，而現代的智能手機又不能做的太重太厚，這就使得采用這種技術的手機一般電池容量都比較低，像是前面真我展示的這款手機，它的電池容量就只有4400毫安。
也就是說，這種多電芯的手機，只要4分多鐘就能充滿，但是充滿不太可能堅持得了一天；而單電芯手機可能會充滿速度會慢一些，比如需要15分鐘才能充滿，但內置的大容量電芯，續航時間更長，或許能堅持一天不需要充電。
另一方面，多電芯方案的內部複雜結構對於廠商們來說也是一個不大不小的難題。
其一，因爲串聯導致手機放電狀態下的電壓過高，難以爲手機直接供電，採用多電芯方案的手機通常還需要再使用一顆分壓芯片來把電壓減半後再爲手機的其他零部件供電；再有就是，由於充電和放電都需要多塊電芯共同工作，電芯的一致性需要高度接近，電池的充放電健康管理也更加嚴格。
從目前的市場反饋情況看，多電芯和單電芯都有各自獨特的優勢與缺陷，大部分主流品牌的手機產品線其實都是兩種類型共存的。
要我說大家其實也不必糾結手機用的什麼電池，隨着電池材料學和電荷泵芯片等技術的進步，充電技術每年都在飛速發展，其最終的目的就是爲了給大家帶來更高的電池使用體驗。
回想前幾年，續航焦慮幾乎已經快成爲根植在現代人腦海深處的思想鋼印了，不知道大家平常怎麼樣，反正我自己的話，出遠門是一定會帶上充電寶的。
不過現在嘛，隨着快充技術的普及，現在手機的充電體驗，幾乎已經快要趕上原來可更換電池的時代了。
早上上班發現手機沒電？只需要短短几分鐘洗漱的功夫就能恢復滿血；
遊戲耗電快，邊衝邊玩不舒服？只需要在兩局遊戲之間短短間隙裡小衝一下，沒一會就可以脫離充電器，繼續愉快地玩耍了。
作爲一名消費者，我很高興看到有如此多的手機廠商願意下功夫去提升手機充電功率，願意不斷嘗試創新，願意不斷的把最新，最先進的技術量產出來讓我們能夠享受到科技進步帶來的快樂。
當然了，如果更快的充電速度，能夠讓那些在技術層面停滯不前，總是用諸如環保之類的理由敷衍消費者的廠商們產生危機感就更好了，你們說對不？