率先商用65W超级闪充,OPPO如何炼就充电5分钟,开黑2小时?

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率先商用65W超级闪充,OPPO如何炼就充电5分钟,开黑2小时?
麻省理工科技评论 2020-04-06

2020-04-06

手机厂商的“快充大战”。
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手机厂商的“快充大战”。

2020 年 3 月 26 日,被外界称为 OPPO VOOC 闪充之父的张加亮首次开通了个人微博,当天,他发布了两条信息,一条是自我介绍,另一条抛出一个行业猛料:“听产品同事说,我们做的 40W 无线充电今年会商用。”

是的,40W 无线充电,你没看错,如果 OPPO 能率先将此投入商用,则意味着比目前友商们能做到的 30W 无线闪充极限更精进了一步,也意味着,无线充电将具备与有线充电相媲美的速率,再次刷新智能手机的充电续航体验。

在手机充电这件事上,这已不是 OPPO 第一次亮出让人吃惊的王牌。2020 年第一季度,国产手机厂商间的“快充大战”不断升级,当友商们普遍在旗舰机型上开始使用 40W、50W 有线快充时, OPPO 发布的年度旗舰 Find X2 Pro 搭载的则是 65W 闪充,38 分钟可充满 4260mA 的电池,速度一骑绝尘,这是手机市场上已商用的最大功率水平的闪充。

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图|OPPO Find X2 Pro 官宣的快充性能(来源:OPPO)

近年来,手机行业同质化竞争十分饱和,软硬件性能 PK 不断逼近极限,而在这样的极限挑战中想要保持领先并非易事。

“领先很难,但是我们一直在领先。” 张加亮自豪地说。OPPO 在闪充技术领域的突破能力正在竖起一个行业标杆,不过鲜为人知的是,在这领先一步的背后, OPPO 闪充团队可能至少经历了 8 年时间的摸爬滚打。

智能机时代的普遍焦虑

OPPO 探索闪充技术的历史大约可以追溯到 2012 年,这一年,也常被业界称作是国产智能手机的元年。

彼时,十余家厂商群雄逐鹿,整个手机行业和消费市场正经历着从功能机向智能手机转变的节点,移动网络也处于从 3G 向 4G 切换的档口,网速越来越快,手机应用越来越多,硬件配置越来越高。在这样的背景之下,很多手机的电池续航已不能满足用户一天的使用需求。

而作为最简单直接的解决方案,当时很多厂商主要集中在扩大电池容量以应对手机续航不足的问题,但不可避免引发的另一个难题就是充电时间加长。

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图|智能手机的续航问题越来越突出(来源:Pixabay)

按照当时主流 5V-1.2A 的充电速率,手机电池容量稍微大一些比如扩容到 2500-3000mA 左右,充电时长动辄就要超过 3 个小时,这是一种漫长的等待,如果是电池容量 8000mA 的平板电脑,边玩边充电,充电速度可能还不如掉电快,续航焦虑成为智能机时代如影随形的问题。

当时负责硬件研发的张加亮已在 OPPO 工作 8 年,作为一个手机行业的老兵,对行业正在发生的变革也更加敏锐。

他很快意识到,智能机时代,大屏幕、高功耗以及越来越丰富的手机应用场景,让续航和充电这两个问题变得更加重要,且短期内电池能量密度难有重大突破,手机工业设计要求越来越轻薄导致内部电池空间十分有限,快充势必会成为保证续航的刚性需求。

摒弃“成熟方案”,自主研发

虽然有了初步的想法和动机,但距离技术落地还相差很远,为了先行研发实验,张加亮就和几个同事开始利用业余时间搞“地下研究”。

最终历时两年左右,在行业普遍采用高通、MTK 的高压小电流快充方案的情况下,他带领团队创新提出了低压大电流的解决思路,VOOC 闪充方案正式诞生。

2014 年,VOOC 闪充首次在 OPPO Find 7 上落地商用,相比当时市面上常见的5V-2A、9V-2A 的充电规格,VOOC 闪充率先采用了 5V-5A 的规格,充电速度首先得到了明显的提升,3000mA 的电池用 VOOC 闪充 30 分钟可直接充到 75%。

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图|OPPO 技术人员探讨快充技术方案(来源:OPPO)

“充电 5 分钟,通话 2 小时”的说法便由此而来,至 R7 机型发布,这句广告语已成为家喻户晓的快充技术代称,友商们也纷纷开始针对这条闪充技术路径加强研发布局。

为什么当时不直接选用高通、MTK 成熟的高压快充方案?

在 OPPO 内部对张加亮也曾有这样的质疑,自主研发低压大电流的快充方案即使是当时的苹果、三星等行业巨头都没去布局,失败的风险可想而知,但张加亮仍坚持了自己的技术路线。

主要原因是,高压快充有一个明显短板:导致手机端发热较高,影响充电效率,用户在边玩边充电的情况下更为严重,这往往意味着安全隐患。

以电压超过 9V 的快充为例,这样的高电压并不能直接输入给手机电池,需要在手机端二次降压到 5V 的水平才能给手机进行安全充电,但根据焦耳定律,这种降压方式会导致手机端在充电过程中发烫,且充电转化效率只有 80% 左右。

OPPO VOOC 闪充采用的低压大电流方案,则将手机内部的降压器件放到了适配器上,降低机身发热,充电转化率可以提升到 97% 以上,且能把热量分散,而据了解,OPPO VOOC 的 7 针引脚设计也加入了对充电状态进行检测、判断的通路。

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图|快充适配器测试(来源:OPPO)

为了整体解决闪充带来的发热问题,张加亮带领团队从适配器、电池、数据线、电路、接口等 5 个关键环节进行了相应的安全化升级定制,例如首次在适配器中加入 MCU 智能芯片,实时监测电压电流,对整个电流传输进行精准调节和 5 级过载保护。

在业内,这是第一次将“充电接收端、发射端、充电端以及电池端”视为一体进行整体方案研发。通过定制化的硬件、算法,形成 VOOC 充电协议闭环,OPPO VOOC 将闪充安全指数从 PPM(百万分之一)提升至 DPM(十亿分之一)级别,同时,VOOC 也通过了工信部旗下泰尔实验室五星认证,并成为泰尔实验室五星认证的首个快充技术。

另外一条路径,也是从 2012 年开始,随着对 VOOC 闪充技术的探索,OPPO 其实也开始同步摸索无线充电进入实质应用的阶段。在 2012 年 6 月份公布 OPPO Finder 超薄手机的时候,曾同步推出一个无线充电套件,采用了 TI 的无线充电芯片, 遵循 WPC 无线充电标准,这算是无线充电最早期的一种实现方案。

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图|OPPO Finder 曾尝试的无线充电方案(来源:OPPO)

OPPO VOOC 闪充技术创新很大程度上为缓解智能机时代的续航焦虑提供了一种新的可能,对于手机快充的发展具有巨大影响力,低压大电流的技术路径逐渐普及开来。

至 2015 年,OPPO 旗下中高端机型基本都支持 VOOC 闪充,在同档位机型中做出了很好的技术差异化,同时也在不断拓展使用场景,陆续开发了基于 VOOC 技术的移动电源和车载闪充,在线下门店和车站、机场等公共场所也积极布局闪充服务,一个新的闪充时代就此拉开帷幕。

比快更快的不断极限挑战

用户体验一旦提升上去后,再去降低标准是很难的,闪充开始普及后,最高能实现多大功率的充电?速率还有没有可能更快?这促使整个手机行业开始深入研究,包括先行者 OPPO。

2016 年,OPPO 再次提出了 SuperVOOC 超级闪充的概念,手机峰值充电功率直接上升到了 50W 的水平。

要知道,同期的闪充能做到 20W、30W 已到了一定瓶颈,这种近乎翻倍的功率增长背后,不得不提一下新的创新方式:串联双电芯的快充方案。

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图|双电芯手机电池(来源:OPPO)

在 VOOC 闪充技术架构不断成熟的基础上,OPPO 在业界首创了串联双 3C 电芯的电池架构,通过两块性能高度匹配的电池串联分压,让输入到每个电芯的功率只有 25W,实际在手机内部仍维持在 5V-5A 的安全输入水平,但综合下来的充电速度得到了大幅提升;而在电池放电时,可以利用电荷泵将双电芯的电压减半,以兼容当下的手机芯片组,供给手机运行所需要的特定电压。

同时,OPPO 加入了全新 VFC 闪充算法,改进了涓流充电,把涓流充电速度提升了 200%,这大幅缩短手机电池最后 10% 的充电时间,进一步把整体充电时长缩短 23.8%,50W 的 SuperVOOC 超级闪充可以在 35 分钟内充满一台 3700mA 电池的手机。

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图|SuperVOOC 2.0 充满 4000mA 电池的速度(来源:OPPO)

对于用户日常来说,可能是早晨一个刷牙洗漱的功夫,手机就能充到接近满电,2018 年,OPPO 这一充电技术率先落地在了旗下中高端旗舰机型 Find X、R17Pro 上,实现商用普及。

虽然技术复杂和工艺要求更高会导致成本有所上浮,但这一电池框架思路在行业中是具有突破性的,这意味着,未来随着更高性能的电芯、更具创新的电池串联方式,闪充功率的水平还能有翻倍增长的可能。比如功率达 65W(10V-6.5A)的SuperVOOC 2.0 超级闪充,仍是目前投入商用的最快闪充,30 分钟时间即可充满等效 4000mA 的电池。

同时,SuperVOOC 2.0 方案让手机充电兼容性得到了改善,兼容市面上的 QC/PD 适配器 9V2A 快充,即便是忘带原装充电器,也能以 18W 的速度“回血”,极大满足了用户日常生活中使用体验。

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图|SuperVOOC 2.0 闪充方案的核心技术(来源:OPPO)

此外,为了让充电器既小巧便携又能满足高功率充电需求,张加亮团队从 2015 年快充兴起时就开始做一系列的技术储备,最终把目光锁定在第三代半导体材料–GaN(氮化镓)上。

采用 GaN 的功率器件,可以通过升高开关频率来减小变压器的体积,并且还可凭借着氮化镓高效的特性,减小或者省略散热片,从而让大功率充电器的体积趋于小型化,将 65W 适配器体积做到了接近上一代 50W 的水平,并在 2019 年成功将氮化镓应用在了支持 SuperVOOC 2.0 的原装手机适配器上。

对于用户来说,这些可能只是产品的细枝末节,但对于 OPPO 闪充团队而言,则是对行业技术极限和不可能的接连挑战。

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图|OPPO VOOC 闪充的三条技术发展路线(来源:OPPO)

直至今日,在闪充技术领域,经过 8 年技术长跑的 OPPO 已基本形成以“VOOC 闪充、SuperVOOC 超级闪充和无线 VOOC 闪充”完整的三条线,用来搭配不同级别的手机产品,实现不同的用户需求。

据悉,截至 2019 年 10 月,全球 VOOC 闪充用户已突破 1.45 亿人次,目前 OPPO 自主研发的快速充电技术,在全球范围内已申请超过 1700 项专利,并累计向 20 余家企业开放闪充专利许可,一个包含壁垒专利、行业标准、技术认证在内的闪充专利生态圈正在形成。

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图|OPPO VOOC 有线闪充和无线闪充对比(来源:OPPO)

值得关注的是,在 2019 年 10 月,OPPO 曾正式发布了 30W 无线 VOOC 闪充技术,也是目前已商用的最高水平,不过 OPPO 官方并未急于将 30W 的无线闪充技术快速推向量产商用,而是直接将量产的目光放到了 40W 无线闪充上。

正如本文开篇所说,40W 无线闪充将是革命性的开端,用户将能真实体会到不亚于有线闪充的高效体验,而对待无线充电商用,OPPO 很可能采取一步到位的策略,形成后来者居上的行业竞争势能。

5G,国产手机厂商的下一局

相比较三星、苹果等国际巨头,国产智能手机近年来的创新发展其实可圈可点,在高度饱和的市场竞争环境下,从做工材质、拍照像素、性能跑分、结构设计等多个维度,各路厂家不断竭尽所能去 PK 差异化和性能极限。

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图|5G 已成为手机厂商的下一个赛点(来源:东方IC)

对于普通消费者而言,闪充可能会是一个越来越影响购买决策的因素,尤其在当下智能手机从 4G 向 5G 推进的阶段,未来 5G 网络高带宽低延迟的特性势必会激发手机软硬件整体功耗的再度飙升,此情此景,恰如 2012 年的变革前夕。

手机充电功率还有没有可能比 65W 更大,张加亮表示:我觉得一切皆有可能,而 OPPO 的“充电 5 分钟”还能给我们带来怎样超乎想象的惊喜,未来可以拭目以待。

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