◎實(shí)習記者 都 芃

　　充滿(mǎn)一部智能手機需要多長(cháng)時(shí)間？

　　幾年前這個(gè)數字還是幾個(gè)小時(shí)，但隨著(zhù)近年來(lái)智能手機充電功率以肉眼可見(jiàn)的速度增長(cháng)，這個(gè)時(shí)間如今已經(jīng)可以用分鐘來(lái)計算。

　　2月28日，某知名智能手機品牌在官方微博展示了搭載先進(jìn)快充技術(shù)的手機產(chǎn)品，宣稱(chēng)其充電功率已經(jīng)達到300瓦，5分鐘內就可將手機電池充滿(mǎn)。

　　不僅是有線(xiàn)充電功率在飛速提升，手機無(wú)線(xiàn)充電功率相比早期也有了近10倍的增長(cháng)，一度最高達到67瓦。在智能手機一步步嵌入人們生活的過(guò)程中，手機充電技術(shù)的飛速發(fā)展發(fā)揮了不可忽視的作用。

　　突飛猛進(jìn)的充電功率

　　伴隨著(zhù)智能手機的逐漸普及和更新?lián)Q代，手機能夠實(shí)現的功能越來(lái)越多，其性能也越來(lái)越強大。這帶來(lái)的直接后果之一就是耗電速度的大幅加快。

　　為了維持手機功能的正常使用，手機電池容量一漲再漲，從最初的約1000毫安時(shí)，一路增加到如今普遍的4000毫安時(shí)左右，長(cháng)續航機型甚至可以超過(guò)5000毫安時(shí)。電池容量的大幅增加，刺激了消費者對充電速度的需求。在“機不離手”的時(shí)代，動(dòng)輒需要數小時(shí)乃至一整夜才能“滿(mǎn)血復活”的電池，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足消費者對智能手機充電速度的要求。因此，快充技術(shù)應運而生，并迅速得到用戶(hù)青睞。

　　北京理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò )與安全研究所所長(cháng)閆懷志在接受科技日報記者采訪(fǎng)時(shí)表示，雖然快充技術(shù)近年來(lái)不斷迭代，但其基本原理其實(shí)很簡(jiǎn)單。“充電功率就是電壓與電流的乘積，要實(shí)現快充，即提升充電功率，要么提高電壓、要么提升電流，或者是二者同步提高。”他表示。

　　在智能手機最初出現時(shí)，充電功率大多為5瓦，即5伏(電壓)乘以1安(電流)。當快充技術(shù)開(kāi)始起步時(shí)，高電流低電壓方案被廣泛采用。在電壓不變的情況下，電流相繼被提升到了1.5安和2安，充電功率也相應增加到7.5瓦和10瓦。但電流的繼續提升對充電線(xiàn)材有著(zhù)更高的要求，最初的普通充電線(xiàn)和充電插頭已經(jīng)無(wú)法承載更高的電流，快充技術(shù)的發(fā)展路線(xiàn)也在此出現了分化。

　　部分廠(chǎng)家選擇繼續沿著(zhù)高電流、低電壓的路線(xiàn)前進(jìn)，于是對充電線(xiàn)材進(jìn)行升級改造，例如增加充電接口觸點(diǎn)、加裝IC芯片等，將電流提升至5安，充電功率增加到25瓦。另一部分廠(chǎng)家則轉向高電壓、低電流方向，將充電電壓相繼提升到9伏、12伏乃至20伏，把充電功率增加到18瓦左右。

　　閆懷志表示，這兩種升級方案各有利弊，低電壓、高電流方案對線(xiàn)材、接口技術(shù)的要求較高；而高電壓、低電流方案的問(wèn)題則是效率較低，導致電池發(fā)熱量較大。

　　但在不久后，隨著(zhù)手機的充電接口以Micro USB為主逐漸轉向以USB Type-c為主且充電線(xiàn)材也隨之得到普遍改進(jìn)，以及各廠(chǎng)家在充電算法等方面進(jìn)行了深度研發(fā)，最終不同的快充方案殊途同歸，共同走向高電壓、高電流路線(xiàn)。充電功率就此開(kāi)始一路狂飆，被提升至上百瓦。

　　在有線(xiàn)充電技術(shù)不斷刷新著(zhù)充電功率的上限時(shí)，人們又對充電的便捷性提出了新的要求，無(wú)線(xiàn)充電作為新的選項進(jìn)入人們的視野。

　　無(wú)線(xiàn)充電所依賴(lài)的電磁感應原理同樣很簡(jiǎn)單。無(wú)線(xiàn)充電器中的充電底座負責把電流轉換為不斷變化的磁場(chǎng)，而手機背部隱藏著(zhù)線(xiàn)圈，當充電器底座磁場(chǎng)不斷變化時(shí)，手機背部線(xiàn)圈中的磁通量也在不斷變化，產(chǎn)生的感應電流便可給手機進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電。相比于有線(xiàn)充電，無(wú)線(xiàn)充電功率的提升則要困難許多，其主要瓶頸有無(wú)線(xiàn)充電線(xiàn)圈體積過(guò)大、無(wú)線(xiàn)充電底座發(fā)熱等。

　　圍繞這些問(wèn)題，各廠(chǎng)家進(jìn)行了技術(shù)和設備創(chuàng )新，如推出了風(fēng)冷散熱充電底座等，將無(wú)線(xiàn)充電功率提升至與普通有線(xiàn)充電功率不相上下的水準。此外，工信部于2021年發(fā)文，將無(wú)線(xiàn)充電功率限制在最高50瓦，對過(guò)高無(wú)線(xiàn)充電功率造成的無(wú)線(xiàn)電頻率干擾問(wèn)題進(jìn)行了有序規范。

　　“軟硬兼施”迭代充電技術(shù)

　　各種快充模式最終能夠殊途同歸、走向高電壓、高電流方案，背后是各種科技手段的鼎力支持。

　　“雙電芯、電荷泵、先進(jìn)充電協(xié)議等多種解決方案的采用，極大地推動(dòng)了高電壓、高電流快充技術(shù)的發(fā)展。”閆懷志介紹道。

　　除了各電池廠(chǎng)家在充電方案上不斷推陳出新外，閆懷志表示，從電池“內部”來(lái)看，其技術(shù)也在不斷進(jìn)步。如疊層式電極設計、電池材料改進(jìn)、電解液性能提升、應用高性能隔膜等，這些升級、改造大大縮短了手機的充電時(shí)間，起到了促進(jìn)快充技術(shù)迭代的作用。

　　除了不斷提升的充電功率，充電技術(shù)中還有一項值得注意的改進(jìn)是，近年來(lái)大功率充電器的體積在不斷縮小、質(zhì)量在不斷變輕。這很大程度上得益于一種新型半導體材料氮化鎵(GaN)的廣泛應用。

　　閆懷志向記者介紹道，氮化鎵是一種新型的、寬禁帶半導體材料，屬于第三代半導體材料。相比傳統硅基半導體，其擊穿能力更出色，電子密度、電子遷移率以及熱導率更高。當電流流過(guò)晶體管時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗主要發(fā)生在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的轉換過(guò)程中。而在電壓恒定的情況下，氮化鎵能夠提供比硅更小的電阻并減少隨后的開(kāi)關(guān)和傳導過(guò)程中出現的損耗，因此使用氮化鎵材料的充電器，其充電效率最高可以達到95%。

　　除了硬件的不斷改進(jìn)，各廠(chǎng)家對于快充算法的深度研發(fā)同樣顯著(zhù)推動(dòng)了快充技術(shù)的發(fā)展。通常，不同的快充算法體現為不同的快充協(xié)議。

　　“通俗來(lái)說(shuō)，充電協(xié)議是充電器與用電設備(如智能手機)之間的通信規則，二者必須同時(shí)支持某種協(xié)議才能夠啟動(dòng)快充。”閆懷志用了一個(gè)形象的比喻來(lái)解釋?zhuān)斐鋮f(xié)議就像是充電器與用電設備在“接頭”時(shí)所需的“暗號”，只有在確認對方“身份”后，雙方才可以共同配合進(jìn)行快速充電。

　　目前由于各家智能移動(dòng)設備產(chǎn)品多采用自家研發(fā)的私有快充協(xié)議，雖然其能夠大幅提升充電功率，但也在很大程度上限制了快充設備的通用性。

　　更快速、便攜、安全是永恒主題

　　對于未來(lái)充電技術(shù)發(fā)展的方向，閆懷志認為：“無(wú)論未來(lái)充電技術(shù)如何迭代，也繞不開(kāi)‘充電更快速、更便攜、更安全’這個(gè)永恒的主題。”

　　在進(jìn)一步提升充電功率方面，閆懷志列舉出了部分可能的發(fā)展方向。“一是讓充電器提供更高的電壓；二是提升電池自身的性能，例如研發(fā)石墨烯電池、改進(jìn)電荷泵技術(shù)、采用多C電芯或單芯多極耳技術(shù)等；三是改進(jìn)數據線(xiàn)及接口，例如優(yōu)化針腳、線(xiàn)纜設計等。”他說(shuō)。

　　而對于無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)發(fā)展，閆懷志表示，制約無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)應用的效率和散熱等問(wèn)題正在被不斷解決，無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)將向著(zhù)低成本、遠距離、高效率的方向快速發(fā)展。當前，感應式、諧振式、超聲及紅外線(xiàn)充電等技術(shù)的應用，為各種近場(chǎng)、遠場(chǎng)的充電無(wú)線(xiàn)技術(shù)提供了豐富選擇。

　　面對不斷增加的充電功率、豐富多樣的充電方式，安全性始終是用戶(hù)最關(guān)心的方面。

　　對此，閆懷志提醒道：“比如，盡量不要等到手機電量過(guò)低才充電，更不要邊充邊用，這樣不僅會(huì )使電池溫度居高不下、嚴重影響電池壽命，而且存在火災安全隱患。除此之外，盡量選用符合廠(chǎng)商設定的充電協(xié)議的原裝充電器。”（科技日報）