快速充電器發展現狀與電氣安全

朱曉棟 柯思藝 王世栩 陸永麗

（上海市質量監督檢驗技術研究院 上海 201114）

引言

在過去的20年中，手機以其體積小，可隨身攜帶的優勢，速度替代了家庭電話，成為廣泛使用的通訊設備。在普及的過程中，手機也跟隨消費者的需求以及技術的提升，不斷創新迭代：從功能機到智能手機，從按鍵手機到觸屏手機，從2G通訊到如今5G時代。上述的每次技術更新不僅僅推動了產業發展，更擴充了消費者的使用場景。毫不夸張的說，在日常生活、工作、社交，無處不與手機息息相關，因此對手機的續航能力有了更高的要求?！俺潆娖鳌?、“數據線”和“電池”是組成手機充電系統的三個關鍵部件，礙于高容量電池研究進展緩慢，各廠商不斷技術創新，快速充電器成為了發展的熱點。

1 主流快充協議及充電特點

1.1 高通QC協議

2013年高通正式發布QC 1.0快充協議，配合電池管理芯片，將之前普遍使用的5 V，1 A輸出規格提高到5 V，2 A。隨后在2014～2015年先后推出QC 2.0/QC 3.0，至此開啟高壓充電模式。QC 2.0/QC 3.0協議將輸出電壓擴展到了5 V、9 V、12 V、20 V，并且QC 3.0在QC 2.0的基礎上優化了直流電壓轉化效率，其支持輸出電壓在3.6 V至20 V之間，以200 mV步進浮動。得到了各廠商普遍認可并且廣泛采用。隨后陸續發布QC 4.0、QC 4.0+，直至2020年7月，高通發布QC 5.0，可支持最高20 V，100 W的輸出功率，并且與PD協議兼容。

然而最早推出快充的高通并沒能實現統一快充標準的愿望。各手機廠商出于商業利益和產權保護，研發獨有知識產權的快充協議。

1.2 VOOC系列快充協議

2014年oppo發布VOOC協議充電手機，該協議支持5 V，4 A輸出規格。與同時期主流使用的高通QC 2.0協議的9 V，2 A輸出規格形成鮮明對比。在當時，高通的方案以提高手機輸入電壓達到提高輸入功率，加快充電速度的目的，而VOOC協議快充方案是以提高手機輸入電流的方法達到同樣效果。相比增大電壓的QC 2.0協議方案，VOOC協議具有手機發熱小，安全性能高的優點，但高輸入電流的VOOC快充對手機數據線的電流承載能力也有了更高的要求，至此數據線也成為了手機充電系統的重要組成部分。經過數年的發展，VOOC協議已經演進到了VOOC 4.0（5 V，6 A）。2018年，oppo推出了50 W（10 V，5 A）的 superVOOC快充協議充電器，2019年，oppo推出了65 W（10 V，6.5 A）的 SuperVOOC 2.0快充協議充電器，并且兼容部分PD和QC協議。

1.3 SCP/FCP協議

SCP全 稱 Super Charge Protocol，FCP全 稱 Fast Charger Protocol，二者都是華為自家的私有協議。FCP協議誕生較早，采用的是類似QC 2.0和PE協議的“高壓型小電流”方案，輸出規格為9 V，2 A（18 W）。2016年后，華為推出了全新的SCP協議（5 V，4.5 A和4.5 V，5 A，22.5 W），采用的是類似OPPO的“低壓大電流”方案，好處同樣是在增大功率的同時，減少發熱。后來在這一協議的基礎上，華為又增加了電荷泵技術，將充電器輸出的10 V，4 A，通過手機內部芯片轉為5 V，8 A，實現了40 W的超級快充。目前最新款mate40系列手機的SCP協議充電器已支持到11 V，6 A。

1.4 USB PD協議

PD協議是USB IF組織推行的快充協議，它最顯著的特點是通過 Type-C 接口進行輸出，除了帶來更方便的插拔體驗，這種技術還可以在相對更小的體積下實現最高 100 W功率的電力傳輸。谷歌一直以來是推動PD協議的中堅力量，由于谷歌公司在安卓底層系統擁有絕對的話語權。2019年谷歌做出明確規定，要求所有使用USB接口、帶安卓系統的快充終端必須兼容PD協議。至此確立了PD協議在快速充電協議中的主導地位。目前PD協議最新版本為PD 3.0，符合PD 3.0協議的充電器可以支持5 V， 9 V， 12 V，15 V，20 V這些電壓，并且和QC 3.0一樣支持電壓浮動，最小調節單位為20 mV。支持最大電流為5 A。

2 快速充電器混用對手機充電性能的影響

為了更直觀的體現快充對手機性能的影響，選擇了4臺市場上熱門的手機和囊括了主流快充協議的手機充電器作為研究對象。在各手機電量處于20 %饋電狀態下，使用不同的充電器對手機進行充電，并且使用功率計對充電電壓、電流進行實時監控，在充電過程中，記錄最大充電功率狀態下對應的電壓和電流。結果詳見表1～表3。

表1 試驗手機及支持的快充技術

表2 充電器及支持的協議

表3 充電試驗記錄

通過對比試驗結果，可得知：

1）使用手機原裝充電器均能發揮手機良好的充電效率。

2）對比表2中各充電器協議所支持的協議，可以發現，當第三方的充電器快充協議覆蓋原裝充電器的快充協議時，也能得到良好的充電效果。例如：序號為3、9、10、11的充電器均能給vivo Y5s手機提供良好的充電功率。

3）當手機不支持快充充電器的協議時，充電器將仍使用5 V的充電電壓或者較低的充電電流，進行低功率充電。此時快速充電器與普通充電器并明顯無區別。

3 快速充電器的電氣安全分析

根據充放電試驗數據，經過仔細對比可發現試驗過程中存在1個疑點：充電器樣品序號：5（VCA7GACH，第三方充電器）和6（VCA7JACH，oppo原裝充電器），均支持VOOC系列協議，額定輸出規格也相同，為什么在與協議兼容手機（OPPO K5）的試驗后，得到的充電功率有較大差異？

帶著上述疑問，決定對5號、6號充電器樣品進行拆解，試圖從結構上分析尋找原因。經對比，兩款充電器內部結構存在較大的差異：總結如下：

1）雖然兩款充電器在安全結構上都使用了隔離變壓器，安規電容，光電耦合器作為初次級隔離，但5號充電器中的變壓器無型號和廠商信息，并且初次級繞組之間未做有效隔離，次級繞組線末端無套管防護，從圖1中可看出次級繞組線已經對絕緣膠帶造成損壞。上述安全防護設計的缺失都將直接導致產品的電氣間隙和爬電距離不符合我國信息技術類產品強制性標準要求[1]。對比之下，6號充電器的變壓器次級側使用三層絕緣線與初級繞組隔離，并且變壓器靠近印制板處包含擋墻設計，對變壓器初次級做了有效隔離，見圖2，因此安全考慮十分周全。

圖1 5號充電器內部結構

圖2 6號充電器內部結構

2）5號充電器初級電容和變壓器之間使用硅膠安裝了一塊金屬塊（見圖1），通過觀察發現，金屬塊與任何元器件都無接觸，其目的僅為了增加產品重量，以次充好。6號充電器背面（見圖3）設計一塊擋板，穿過印制板將初次級隔開，上表面設計一塊金屬板，此金屬板與印制板背面次級發熱元器件接觸，起到實際的散熱作用。

圖3 6號充電器散熱和絕緣設計

3）5號充電器次級側并沒有標志性的快充協議芯片，而6號充電器在USB輸出側有一顆VOOC快充協議管理芯片（見圖4）。

圖4 5號（左側）和6號（右側）芯片

通過上述拆解分析，可以基本認定5號充電器產品設計不符合國家CCC標準要求，雖然外殼上標有國家CCC標志，但通過CQC官網并未查詢到認證信息，實為假冒偽劣產品。因此產品輸出性能不理想就得到了解釋。

4 結束語

回顧手機充電系統的發展歷程，為了響應國家環保和可持續發展戰略，為減少電子垃圾，實現可重復利用，國家和行業通過不斷的努力，目前已經基本實現了充電器輸出接口[2]和手機充電口的統一。然而快充技術的統一仍然路途遙遠，需要得到各廠商的支持。USB IF組織的PD協議為此做出了努力，但出于商業考量，各廠商在產品設計中，PD協議輸出功率仍無法覆蓋到廠商私有協議的最大功率。另一方面，快充充電器的高利潤促使市場出現了普通消費者無法分辨的高仿、假冒產品，給人民生活帶來了極大的安全隱患。唯有廠商拿出智慧，統一快充標準，降低制造成本，才能避免不必要的資源浪費。