蘋果和三星的充電技術有何差別?

作者 : Giovanni Di Maria,Power Electronics News

用戶通常對智慧型手機和平板電腦的電源供應器不太關注,但它們卻是非常重要的裝置。本文將主要以三星(Samsung)和蘋果(Apple)的電源供應器為例,說明它們真正的差別。

用戶通常對智慧型手機和平板電腦的電源供應器不太關注,但它們卻是非常重要的裝置。電源供應器確保電池的正確充電,其品質也決定了可充電元件的使用時間和平均壽命。市場上有各種價格的電源供應器,從1美元到數百美元不等。本文將主要以三星(Samsung)和蘋果(Apple)的電源供應器為例,說明它們真正的差別。

小型裝置的供電

電池充電器是一種非常緊湊的開關電源,可以將交流電壓(230V 或 110V)轉換為5V直流輸出。交流輸入首先被轉換為高壓直流電,然後切換並饋入一個小型變壓器,最後透過USB埠轉換為經過濾的5V低壓直流電。充電器品質不同,輸出電壓的殘餘波紋也會有所不同。現在小型裝置(平板電腦和智慧型手機)功能越來越強大,它們需要更大的電流來運作並充電,因此,擁有隨時可用的電源變得越來越重要。市場上提供的電池充電器型號五花八門,裝置相容性和充電速度都不近相同。市面上的充電方案多達幾千種,佈線圖(wiring diagram)也數不勝數,從最低效率到最複雜設計的方案,都能夠成功為鋰電池充電,圖1顯示了其中一種電源解決方案。

 

圖1:鋰電池充電解決方案之一。

 

一些複雜的充電器除了提供電力,還透過USB電纜傳輸一些數位資訊,出於這個原因,一些智慧型手機只能使用自己專用的充電器。總而言之,電流沒有好壞之分,但控制系統、供電系統和安全系統會有所不同;而正是後者才導致充電器價格的上漲。許多智慧型手機型號(尤其是最新款)不再附上充電器,這清楚地說明,廠商想讓用戶自己選擇他們的充電工具。廠商之所以採用這種策略,有以下幾個原因:

  • 節省包裝成本(現在的包裝更小、更便宜);
  • 保護環境;
  • 一次性出貨和運輸量更大;
  • 讓產品更便宜。

市面上所有的充電器都有一些電氣參數(瓦特或安培-小時),因此,在購買充電器之前,最好先查看製造商的規格。較便宜的型號一般無法提供很大電流,並且很容易過熱或燒壞。為安全起見,建議使用5V且至少2A的電源,以便與絕大多數智慧型手機最大程度地相容。當然,電流將根據所連接的裝置來提供。各參數的基本計算公式都涉及歐姆定律,排除材料「瑕疵」造成的損耗,公式如下:

 

 

在充電器內部,或多或少會有些複雜的電路擠在一個非常狹小的空間裡,小尺寸的需求增加了設計高效優質充電器的難度。但巨大的市場需求促使製造商生產更簡單的電路和更便宜的元件,由此導致的後果是,裝置價格低廉但品質也差。顯然,使用者無法從外部來評估裝置性能。糟糕的電源品質將導致各種問題產生,如果輸出電壓沒有正確過濾,雜訊和波紋將可能損壞手機,觸控螢幕也可能無法工作。此外,隨著負載的增加,電壓可能下降,充電時間可能會急劇增加。

三星與蘋果的比較

三星與蘋果這兩家智慧型手機巨頭在處理電池充電器問題上的方式略有不同。蘋果的做法是,丟棄充電器(編按:大家俗稱的豆腐頭),只留下「Lightning USB Type-C」傳輸線,聲稱現在所有的用戶都有自己的充電器,而蘋果不想再製造有害垃圾。此外,將充電器從手機包裝中剔除,反而成為單獨銷售超快充電器的一個好機會。現在,充電器真正的區別只在於電纜和連接器種類的不同,每個製造商都試圖建立某種壟斷,即使市場正在推動全球連接的標準化。

好在目前連接器在很大程度上是標準化的,可供使用者選擇的產品也非常廣泛。所有的主流製造商(蘋果除外)都遵循micro-USB Type-B標準(以及最近的Type-C),現在的手機可以使用任何類型的充電器充電。從iPhone 8開始,蘋果iPhone也可以透過USB Power Delivery標準快速充電,但需要使用匹配的充電線將iPhone從其Lightning插座連接到電源的Type-C插座上。更重要的是,電源供應器必須在實驗室中通過可靠性測試 。

蘋果和三星的產品品質都很好,但在購買USB充電器的時候,僅從裝置外觀上或單看標準參數無法判斷其真正好壞。僅憑觀察根本無法確定電源是否均衡且連續,或是否有振盪和雜訊。有必要使用精確和先進的儀器來檢查盡可能多的充電器型號,並進行必要的實驗室測試。

有一個非常簡單的測試是任何人都可以進行的,即對智慧型手機進行快速充電(前提是智慧型手機支援快速充電)。從20%電量充到80%,並檢查所需的時間和裝置背面的溫度(與電池緊密接觸之處),圖2所示為部分蘋果和三星的充電解決方案。

對蘋果產品來說,現在支援無線充電的MagSafe電源適配器非常方便。其內建磁鐵與iPhone 12或iPhone 12 Pro 完美契合,能夠以高達15 W的功率快速充電。MagSafe電源適配器相容Qi充電,可用於iPhone 8及以上機型,以及具備無線充電盒的AirPods機型。建議將其與20W Type-C電源配對。至於三星的Galaxy S21,該公司建議使用專為三星裝置設計的三星原裝電池、充電器和Type-C電纜(使用不相容的電池、充電器和電纜可能會對裝置造成嚴重甚至永久性損壞),還可以使用「快速充電」或「超快速充電」功能更快地為電池充電,該功能需要直接在裝置上配置和啟動。

 

圖2:蘋果和三星的充電方案。

 

消費者往往忽略的另一個關鍵因素就是連接電纜(圖3)。連接電纜容易斷裂、纏繞和脫落,尤其是品質很差的產品,因此必須品質過關。所有裝置都可以透過USB充電,但連接器可能不同,這具體取決於版本。蘋果產品有Lightning 插座,而大多數Android智慧型手機和平板電腦則使用標準的micro-USB連接器。但Type-C連接才是現在的新標準,它類似於micro-USB,但插座略有不同,兩側完全一致,正反面皆可插。

 

圖3:電纜類型。

 

快充標準——Power Delivery

蘋果採用了所有製造商普遍認可的Power Delivery標準。Power Delivery是一組通用USB Type-C充電規範,功率範圍從0.1W~100W。其電纜對功率有很大影響,3A電纜可處理高達60W的功率,而5A電纜可處理高達100W的功率。相容的Power Delivery充電器可動態適應連接裝置的請求,修改提供的電壓和電流值(圖4中圖表)。該功能可根據電池電量和溫度來調整最佳的供電分配流程。電池沒電時需要更多電流;如果電池快滿電,則充電會非常緩慢,以免損壞蓄電池。電池充電器會根據電池狀況進行調整,如果使用協力廠商充電器,將無法達到最大充電速度,因為它「不認識」與其連接的智慧型手機。要瞭解充電器支援哪些協議,閱讀充電器上的標籤非常重要。

 

圖4:Power Delivery的操作涉及採用不同的充電協議。

 

相容三星和蘋果的充電器

配備多個USB埠和Power IQ快速充電技術的Anker壁式充電器是一個很好的選擇,它相容iPhone、iPad、三星Galaxy等。專有Anker Power IQ技術可自動識別裝置並最大限度地提高充電速度,提供最快的解決方案。利用多個USB埠,可以同時為智慧型手機和平板電腦充電。有些Anker型號甚至提供10個USB 埠,如圖 5所示的Anker PowerPort 10。這種充電器能夠提供超大功率,同時為大量裝置充電;它相容、Android智慧型手機和平板電腦(包括 Nexus 7);而且還提供過流和高溫保護,以確保裝置的安全與高效(DOE 6)。

 

圖5:相容三星和蘋果產品的Anker PowerPort 10充電器。

 

結語

充電器必須相容Power Delivery技術才能實現快速充電,否則充電時間會較長。事實上,快速充電會縮短電池的壽命,因為縮短充電時間會導致元件和元件輕微發熱。鋰通常更喜歡在寒冷條件下工作,因此,充分的電池冷卻系統很有必要。通用USB充電器可為智慧型手機充電,關鍵是它提供的電流量要等於或大於原裝充電器的電流量;但是,不能使用更高電壓的充電器,因為它會對裝置造成無法修復的損壞。增加充電器的安培數沒關係,因為智慧型手機只會吸收它需要的電流,因此,採用5V和200A的充電器不會有損壞裝置的風險。當然,購買充電器時還需要確保它與手機相容。此外,建議不要購買仿冒的充電器,儘管其價格低廉,但風險極高。另一方面,原裝充電器可以實現最大速度為電池充電,因為其內部安裝有帶韌體的晶片,可以控制連接的裝置。

(參考原文:Power Supply Design Notes: Samsung and Apple Technology,by Giovanni Di Maria)

本文原刊登於EE Times China 2021年11月刊

 

 

 

 

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