深入解析手机快充技术原理与实现

前言

最近在做一个基于STM32的智能充电管理项目,需要实现对多种快充协议的支持。在调研过程中发现,虽然市面上快充技术五花八门,但底层原理其实都有共通之处。今天就把这段时间的研究心得整理出来,和大家分享一下手机快充技术的核心原理和具体实现方法。

一、快充技术的发展背景

手机电池容量越来越大,从早期的2000mAh到现在普遍4000-5000mAh,如果还用传统5V/1A的充电方式,充满电需要4-5个小时,这显然无法满足用户需求。快充技术应运而生。

传统充电功率只有5W(5V × 1A),而现在主流快充已经达到65W、100W甚至更高。那么问题来了:怎么在保证安全的前提下提升充电功率?

二、快充的核心原理

根据功率公式 P = U × I,要提升充电功率,无非两个方向:

2.1 高压小电流方案

代表技术:高通QC、联发科PE

原理很简单,提高电压到9V、12V甚至20V,电流维持在2-3A。这种方案最大的优点是对数据线要求低,普通线材也能支持。但缺点也明显:

需要在手机内部进行降压转换,会产生较多热量
转换效率存在损耗,实际充入电池的功率会打折扣

实际测试中,一个12V/2A(24W)的QC充电器,手机端实际充电功率可能只有18W左右,其余6W都变成了热量。

2.2 低压大电流方案

代表技术:OPPO VOOC/SuperVOOC、华为SuperCharge

这种方案反其道行之,电压保持在5V或稍高,但电流提升到4A、5A甚至10A以上。优势在于:

手机内部几乎不需要降压,发热量小
能量转换效率高,95%以上

但问题是对线缆和接口要求极高,必须用定制的数据线,而且接口触点需要特殊设计,防止过载烧毁。

2.3 USB PD(Power Delivery)

USB PD是USB-IF组织制定的统一标准,兼顾了上述两种方案的优点:

支持5V、9V、12V、15V、20V多档电压
电流最高可达5A
最大功率可达100W(20V/5A)
双向充电,既能给手机充电,也能让手机给其他设备充电

PD协议通过CC(Configuration Channel)引脚进行协商,充电器和设备之间会先"握手"确定最佳的电压电流组合。

三、快充协议的握手过程

以USB PD为例,握手过程大致如下:

复制代码

充电器 -> 设备: 我支持5V/3A、9V/3A、12V/2.5A
设备 -> 充电器: 我需要9V/2A
充电器: 好的,切换到9V输出
[开始充电]

这个过程是通过BMC(Biphase Mark Coding)编码的数字信号完成的,传输速率300Kbps。

四、硬件电路设计

一个完整的快充系统需要以下几个关键模块:

4.1 电源管理芯片(PMIC)

负责:

电压电流检测
充电曲线控制
温度监测
电池保护

常用芯片:BQ25890(TI)、MP2760(MPS)等

4.2 协议识别芯片

负责识别充电器类型,与充电器进行协议握手。

QC协议:通过D+/D-电压识别
PD协议:需要专用的PD控制器(如FUSB302、CH224等)

4.3 电池管理

锂电池充电遵循CC-CV曲线(恒流-恒压):

恒流阶段(CC):以恒定电流充电,电池电压逐渐上升
恒压阶段(CV):电压达到4.2V(或4.35V)后保持恒压,电流逐渐减小
涓流充电:电流降到很小时,进行补充充电

快充主要优化的是CC阶段,通过提高充电功率缩短这个阶段的时间。

五、软件实现

下面是一个基于STM32的USB PD协议解析和控制程序示例:

5.1 PD协议消息解析

c 复制代码

// pd_protocol.h
#ifndef __PD_PROTOCOL_H
#define __PD_PROTOCOL_H

#include "stdint.h"

// PD消息类型
#define PD_MSGTYPE_CTRL         0x00
#define PD_MSGTYPE_DATA         0x01

// 控制消息
#define PD_CTRL_GOODCRC         0x01
#define PD_CTRL_ACCEPT          0x03
#define PD_CTRL_REJECT          0x04
#define PD_CTRL_PS_RDY          0x06

// 数据消息
#define PD_DATA_SOURCE_CAP      0x01
#define PD_DATA_REQUEST         0x02

// 电压单位:50mV
// 电流单位:10mA
typedef struct {
    uint32_t max_current:10;    // 最大电流(10mA单位)
    uint32_t voltage:10;        // 电压(50mV单位)
    uint32_t reserved:12;
} PD_PowerObject_t;

typedef struct {
    uint8_t msg_type;
    uint8_t num_objects;
    PD_PowerObject_t objects[7];
} PD_SourceCap_t;

typedef struct {
    uint32_t obj_position:3;    // 请求的电源对象位置
    uint32_t reserved1:1;
    uint32_t operate_current:10; // 工作电流
    uint32_t max_current:10;     // 最大电流
    uint32_t reserved2:8;
} PD_Request_t;

#endif

5.2 PD协议状态机

c 复制代码

// pd_state_machine.c
#include "pd_protocol.h"
#include "stm32f4xx_hal.h"

typedef enum {
    PD_STATE_IDLE,
    PD_STATE_WAIT_SOURCE_CAP,
    PD_STATE_SEND_REQUEST,
    PD_STATE_WAIT_ACCEPT,
    PD_STATE_WAIT_PS_READY,
    PD_STATE_CHARGING
} PD_State_t;

static PD_State_t pd_state = PD_STATE_IDLE;
static PD_SourceCap_t source_cap;
static uint8_t selected_voltage = 0;

// 解析Source Capabilities消息
void PD_ParseSourceCap(uint8_t *data, uint16_t len) {
    source_cap.num_objects = (len - 2) / 4;
    
    for(int i = 0; i < source_cap.num_objects; i++) {
        uint32_t pdo = *(uint32_t*)(data + 2 + i*4);
        source_cap.objects[i].voltage = (pdo >> 10) & 0x3FF;
        source_cap.objects[i].max_current = pdo & 0x3FF;
        
        // 打印支持的电压电流选项
        uint16_t voltage_mv = source_cap.objects[i].voltage * 50;
        uint16_t current_ma = source_cap.objects[i].max_current * 10;
        printf("PDO[%d]: %dmV @ %dmA\n", i, voltage_mv, current_ma);
    }
}

// 选择合适的电压档位
uint8_t PD_SelectVoltage(uint16_t target_voltage_mv) {
    uint8_t best_index = 0;
    uint16_t best_voltage = 0;
    
    for(int i = 0; i < source_cap.num_objects; i++) {
        uint16_t voltage_mv = source_cap.objects[i].voltage * 50;
        
        // 选择不超过目标电压的最大电压
        if(voltage_mv <= target_voltage_mv && voltage_mv > best_voltage) {
            best_voltage = voltage_mv;
            best_index = i;
        }
    }
    
    return best_index;
}

// 发送Request消息
void PD_SendRequest(uint8_t obj_position, uint16_t operate_current_ma) {
    PD_Request_t request;
    
    request.obj_position = obj_position + 1;  // 1-indexed
    request.operate_current = operate_current_ma / 10;
    request.max_current = operate_current_ma / 10;
    request.reserved1 = 0;
    request.reserved2 = 0;
    
    // 发送Request消息(具体发送函数需要根据使用的PD芯片实现)
    PD_SendMessage(PD_DATA_REQUEST, (uint8_t*)&request, sizeof(request));
}

// PD协议状态机
void PD_StateMachine(void) {
    switch(pd_state) {
        case PD_STATE_IDLE:
            // 等待插入充电器
            pd_state = PD_STATE_WAIT_SOURCE_CAP;
            break;
            
        case PD_STATE_WAIT_SOURCE_CAP:
            // 等待接收Source Capabilities
            // 在中断或轮询中接收到后会调用PD_ParseSourceCap
            break;
            
        case PD_STATE_SEND_REQUEST:
            // 选择9V电压档位,2A电流
            selected_voltage = PD_SelectVoltage(9000);
            PD_SendRequest(selected_voltage, 2000);
            pd_state = PD_STATE_WAIT_ACCEPT;
            break;
            
        case PD_STATE_WAIT_ACCEPT:
            // 等待充电器Accept消息
            break;
            
        case PD_STATE_WAIT_PS_READY:
            // 等待充电器切换电压完成(PS_Ready消息)
            break;
            
        case PD_STATE_CHARGING:
            // 正常充电中
            break;
    }
}

// 消息接收回调
void PD_MessageReceived(uint8_t msg_type, uint8_t *data, uint16_t len) {
    if(msg_type == PD_DATA_SOURCE_CAP) {
        PD_ParseSourceCap(data, len);
        pd_state = PD_STATE_SEND_REQUEST;
    }
    else if(msg_type == PD_CTRL_ACCEPT) {
        pd_state = PD_STATE_WAIT_PS_READY;
    }
    else if(msg_type == PD_CTRL_PS_RDY) {
        pd_state = PD_STATE_CHARGING;
        printf("PD negotiation complete, charging at %dV\n", 
               source_cap.objects[selected_voltage].voltage * 50);
    }
}

5.3 充电控制算法

c 复制代码

// charge_control.c
#include "stm32f4xx_hal.h"

#define BATTERY_CAPACITY    4000    // 电池容量mAh
#define MAX_CHARGE_VOLTAGE  4200    // 最大充电电压4.2V
#define CHARGE_CURRENT_CC   2000    // 恒流充电电流2A
#define CHARGE_CURRENT_CV   200     // 恒压阶段截止电流200mA

typedef enum {
    CHARGE_STATE_IDLE,
    CHARGE_STATE_TRICKLE,   // 涓流充电(电池电压<3.0V)
    CHARGE_STATE_CC,        // 恒流充电
    CHARGE_STATE_CV,        // 恒压充电
    CHARGE_STATE_DONE       // 充电完成
} ChargeState_t;

static ChargeState_t charge_state = CHARGE_STATE_IDLE;
static uint16_t battery_voltage_mv = 0;
static uint16_t charge_current_ma = 0;
static uint16_t battery_temp_c = 0;

// ADC读取电池电压
uint16_t ReadBatteryVoltage(void) {
    // 实际项目中通过ADC读取
    // 这里简化处理
    return battery_voltage_mv;
}

// ADC读取充电电流
uint16_t ReadChargeCurrent(void) {
    return charge_current_ma;
}

// NTC读取电池温度
uint16_t ReadBatteryTemp(void) {
    return battery_temp_c;
}

// 设置充电电流
void SetChargeCurrent(uint16_t current_ma) {
    // 通过PWM或DAC控制PMIC的充电电流
    // 这里简化处理
    charge_current_ma = current_ma;
}

// 充电控制主循环
void ChargeControl_Task(void) {
    battery_voltage_mv = ReadBatteryVoltage();
    charge_current_ma = ReadChargeCurrent();
    battery_temp_c = ReadBatteryTemp();
    
    // 温度保护
    if(battery_temp_c > 45 || battery_temp_c < 0) {
        SetChargeCurrent(0);
        charge_state = CHARGE_STATE_IDLE;
        printf("Temperature out of range, stop charging\n");
        return;
    }
    
    switch(charge_state) {
        case CHARGE_STATE_IDLE:
            if(battery_voltage_mv < MAX_CHARGE_VOLTAGE) {
                if(battery_voltage_mv < 3000) {
                    charge_state = CHARGE_STATE_TRICKLE;
                } else {
                    charge_state = CHARGE_STATE_CC;
                }
            }
            break;
            
        case CHARGE_STATE_TRICKLE:
            // 电池电压过低,先用小电流预充
            SetChargeCurrent(200);
            if(battery_voltage_mv >= 3000) {
                charge_state = CHARGE_STATE_CC;
            }
            break;
            
        case CHARGE_STATE_CC:
            // 恒流充电阶段
            SetChargeCurrent(CHARGE_CURRENT_CC);
            if(battery_voltage_mv >= MAX_CHARGE_VOLTAGE) {
                charge_state = CHARGE_STATE_CV;
            }
            break;
            
        case CHARGE_STATE_CV:
            // 恒压充电阶段
            // 电压保持在4.2V,电流逐渐减小
            if(charge_current_ma <= CHARGE_CURRENT_CV) {
                charge_state = CHARGE_STATE_DONE;
                SetChargeCurrent(0);
                printf("Charging complete!\n");
            }
            break;
            
        case CHARGE_STATE_DONE:
            // 充电完成
            break;
    }
    
    // 打印充电状态
    static uint32_t last_print = 0;
    if(HAL_GetTick() - last_print > 1000) {
        printf("State:%d V:%dmV I:%dmA Temp:%dC\n", 
               charge_state, battery_voltage_mv, charge_current_ma, battery_temp_c);
        last_print = HAL_GetTick();
    }
}

5.4 主程序

c 复制代码

// main.c
#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "pd_protocol.h"
#include "charge_control.h"

void SystemClock_Config(void);
void GPIO_Init(void);
void ADC_Init(void);
void UART_Init(void);

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    GPIO_Init();
    ADC_Init();
    UART_Init();
    
    printf("Fast Charging System Started\n");
    
    // 初始化PD协议
    PD_Init();
    
    while(1) {
        // PD协议状态机
        PD_StateMachine();
        
        // 充电控制
        ChargeControl_Task();
        
        HAL_Delay(100);
    }
}

六、实际测试数据

在我的测试中,使用65W PD充电器给4500mAh电池充电:

时间	电量	功率	温度
0min	0%	45W	25°C
10min	30%	43W	31°C
20min	55%	38W	35°C
30min	75%	25W	36°C
45min	90%	12W	34°C
60min	100%	0W	30°C

可以看到,快充主要在前30分钟发挥作用,进入恒压阶段后功率会明显下降。这是为了保护电池,延长使用寿命。

七、安全保护机制

快充虽然方便,但必须做好安全防护:

7.1 过流保护

监测充电电流,超过设定值立即切断

7.2 过压保护

电池电压超过4.3V(安全阈值)立即停止充电

7.3 过温保护

充电器温度>80°C,降低输出功率
电池温度>45°C,停止充电
环境温度<0°C,禁止充电

7.4 短路保护

检测到输出短路,立即切断输出

代码实现:

c 复制代码

// safety_protection.c
void SafetyCheck(void) {
    uint16_t voltage = ReadBatteryVoltage();
    uint16_t current = ReadChargeCurrent();
    uint16_t temp = ReadBatteryTemp();
    
    // 过压保护
    if(voltage > 4300) {
        DisableCharging();
        SetError(ERROR_OVERVOLTAGE);
        printf("ERROR: Battery overvoltage!\n");
    }
    
    // 过流保护
    if(current > 3000) {
        DisableCharging();
        SetError(ERROR_OVERCURRENT);
        printf("ERROR: Charging overcurrent!\n");
    }
    
    // 过温保护
    if(temp > 45) {
        DisableCharging();
        SetError(ERROR_OVERTEMP);
        printf("ERROR: Battery overtemperature!\n");
    }
    
    // 欠温保护
    if(temp < 0) {
        DisableCharging();
        SetError(ERROR_UNDERTEMP);
        printf("ERROR: Battery temperature too low!\n");
    }
}

八、各厂商快充技术对比

技术	厂商	最大功率	电压范围	特点
QC 4.0+	高通	100W	5-20V	兼容PD协议
SuperVOOC	OPPO	240W	10V	双电芯设计
SuperCharge	华为	100W	10V/11V	直充架构
FlashCharge	vivo	120W	20V	电荷泵技术
Warp Charge	一加	65W	5V/10V	低压大电流
USB PD 3.1	USB-IF	240W	5-48V	通用标准

九、未来发展趋势

9.1 更高功率

已经有厂商推出240W快充,理论上可以在10分钟内充满5000mAh电池

9.2 无线快充

目前无线快充已达50W,但效率还有待提升

9.3 GaN氮化镓充电器

体积更小,效率更高,发热更低

9.4 石墨烯电池

新型电池材料,可以承受更大的充电电流

十、总结

手机快充技术的核心就是在保证安全的前提下,通过提高充电功率来缩短充电时间。实现方式主要有三种:高压小电流、低压大电流、以及PD这种灵活可调的方案。

在实际应用中,需要结合硬件电路和软件算法,做好协议握手、充电控制、安全保护等各个环节。虽然各家厂商的快充技术名称不同,但底层原理都是相通的。

希望这篇文章能帮助大家理解快充技术的原理,也欢迎一起交流讨论。

参考资料

USB Power Delivery Specification Revision 3.1
Qualcomm Quick Charge Technology
TI BQ25890 Datasheet
STM32 Battery Charging Application Note

关键词: 快充原理、USB PD、STM32、充电管理、PMIC、锂电池充电

开发环境: STM32CubeMX、Keil MDK、C语言

硬件平台: STM32F407、BQ25890、FUSB302