超能课堂(214):为什么说一条好的数据线对充电效率影响很大?

2020-01-03 17:17:19 5点赞 13收藏 1评论

相信大家都有过这样的经历,那就是用原装充电器数据线给手机充电,可能只需要不到1个小时就能从10%充到100%,但是换用一条第三方的数据线后手机的充电速度变得很慢,甚至完全充不进电,很明显这条第三方数据线并不匹配手机的充电需求,意味着你需要把原装数据线找出来,或者换一条能满足需求的数据线使用。对此很多用户都有疑问,现在数据线的结构都不是统一的吗?既然物理结构相同,那为什么还会有这样的兼容性问题呢?

事实上这样的问题并不是数据线的物理结构引起的,更多的是数据线所用的材料引起的。正如大家的普遍认识一样,目前不管是主流还是高端的手机产品,它们所用的数据线基本上都是通用的,并不存在真正意义上的“独家数据线”,即便是像一加手机那样,想要快充就必须用自家数据线,那也仅限于快充握手上,当其搭配普通款式的数据线使用时,基本的充电与数据传输功能也是不会受到影响的。因此当你换用第三方数据线后,充电速度明显变慢,那在排除“握手快充协议必须使用原装线材”的原因后,剩下的自然就是大家常说的“数据线质量”问题了。

超能课堂(214):为什么说一条好的数据线对充电效率影响很大?

大家可别小看这个“数据线质量”问题,实际上我们打开京东或者淘宝的页面可以看到,搜索“手机数据线”的话,我们可以看到同类线材的售价从几块钱1条到上百元1条的都有,显然这里面不能用单纯的“品牌溢价”来进行解释,数据线的功能与充电效率才是最关键的因素。其中功能方面的差异相信大家都可以理解,例如USB 2.0线材与USB 3.0/3.1线材的差异、普通USB Type-C接口与雷电3接口的差异等等,那充电效率又该怎么理解呢?这就是我们今天要讲的关键。

为什么压降对充电效率有明显影响?

在开始讲这个充电效率之前,我们先来将一个关键词叫“压降”。压降就是指线材两端的电压差,例如线材的输入端接上了一个5V的电源,但是在输出端只检测到4.8V的电压,那这条线材的压降就是0.2V。那么压降是怎么产生的呢?实际上我们数据线所用的材料虽然是良好的电导体,但是其终归不是超导体,内部是存在电阻的,因此当我们用数据线把充电器和手机连起来后,就相当于在一个电路中串联了一个电阻,而充电回路形成后,数据线中就会有电流通过,有电阻和电流的存在,线材两端自然就会产生电压,而这个电压的值就是压降值。

超能课堂(214):为什么说一条好的数据线对充电效率影响很大?
支持5A电流的线材,通过3A电流时压降仅为0.3V,相当于0.9W损耗

那为什么说压降会是一个判断充电效率的关键词呢?那是因为在充电过程中,终端设备的输入电压都是经过数据线“压降”处理的,举一个简单的例子,当充电器输出电压为5V,充电回路电流为2A的时候,使用压降为0.2V的数据线意味着终端设备的输入电压为4.8V,总输入功率为9.6W;而使用压降达到0.4V的数据线时,则就意味着终端设备的输入功率只有2A*4.6V=9.2W了,线材带来了额外的0.4W损耗。输入功率越低意味着充电速度越慢,这就是线材的压降能影响着充电效率的主要原因。

超能课堂(214):为什么说一条好的数据线对充电效率影响很大?
支持3A电流的线材,通过3A电流时压降为0.6V,相当于1.8W损耗

而且上述往往只是一个理论计算,实际上不少终端设备都是有最低充电电压要求的,例如某款设备支持5V±5%的充电电压,也就是4.75V到5.25V,当你使用一条在2A电流下压降达到0.4V的线材时,很可能会因为充电输入电压只有4.6V,而不得不降低充电电流以减少压降,甚至是会直接停止充电,待更换一条压降低的数据线后方能恢复。理论上说,当一条数据线在2A电流下压降达到0.4V时,想要器其降变为0.25V,那么通过的电流必须下降到1.25A,此时终端设备的输入功率仅相当于4.75V*1.25A≈5.94W,相比原本理论上的5V*2A=10W就有了明显的下跌。

压降是什么引起的?线阻对压降的大小起决定性作用

既然“压降”对于数据线的充电效率有明显的影响,那么数据线的哪一个属性对“压降”会有明显的影响呢?其实根据压降的计算公式“电压=电流*电阻”这点我们就可以得知,线材的电阻对于压降会有明显的影响。线材的电阻也就是我们常说的“线阻”了,根据“电阻=电阻率*长度/截面积”的计算公式可以得知,当线缆的材质相同也就是电阻率相同的情况下,线材的电阻与长度成正比,与截面积则成反比,因此想要降低线缆的电阻,缩短长度、加大截面积就是最直接的方法。

超能课堂(214):为什么说一条好的数据线对充电效率影响很大?
直观上看,通过电流更大的线材(上)会比通过电流较小(下)的线材更粗

这就是为什么部分比较长的数据线往往也会比较粗的原因,因为它需要通过增大截面积的方式来弥补长度所带来的线阻,但这样得做法往往会大幅度增加线材的成本,因此这些更长也更粗数据线往往也会卖得更贵。不过也有部分产品在增加长度的同时并不改变线材的截面积,这样的数据线往往长度越长压降就越明显,当然我们并不是说这样的数据线不能使用,只是这样的线材充电效率确实会低一些。

此外长度和截面积都相等线材也不见得线阻会相同,线材使用的是何种材料也是很关键的因素。目前数据线里面普遍都采用铜质线材,有部分高端产品可能会使用镀银线甚至是纯银线来降低线阻,但也有部分低端线材会采用铝材质,铝材质的导电率不差,但相比铜是要低很多。对于长度很短的数据线来说可能影响不大,例如长度仅10-15cm的产品,但是对于长度达到1米、1.5米甚至2米或以上的线材,铝材质带来的线阻影响就不可忽略了。

以纯铜和纯铝来计算,后者的电阻率为前者的1.6倍,这就意味着在相同长度和相同截面积的情况下,后者带来的压降会是前者的1.6倍。我们此前曾经对苹果的MacBook Pro 16标配的充电数据线进行过测定,其线阻为0.125Ω,通过4.7A电流时产生的压降约为0.6V,相当于损失了2.82W能量。假如这条线从铜材质变为铝材质,那么理论上其线阻将变为0.200Ω,4.7A电流下的压降就变成0.94V,相当于损失了4.42W的能量。

超能课堂(214):为什么说一条好的数据线对充电效率影响很大?
不同的输出功率会有不同的输出电压,电流的大小会被限制在一个合理的范围内,以降低线材上的能量损耗

值得一提的是,目前仍然处于主流快充模式的“高压低电流”就是为了解决线材线压降引起的充电效率降低问题而开发的,同样是充电器输出18W功率,在5V环境下就相当于3.6A的电流,在一条线阻为0.1Ω的线材上是压降0.36V,既超出了±5%的要求,损耗的能量也高达1.3W;而对于9V环境来说的话就是2A电流,压降仅0.2V,相当于0.4W的功率损失,后者的功率损失还不到前者的三分之一。因此无论是目前主流的“高压低电流”模式还是逐步趋向统一PD充电协议,随着充电功率的提升,电压提升的幅度往往会比电流提升的幅度更大,这样既可以减少线材上的功率损失,同时也可以避免线材为了通过大电流而变得过于粗壮,不便于用户使用。

当然数据线可不仅仅是用于充电,传输数据也是一个很重要的作用。但是相比于用于充电的线路,用于传输数据的线路对线材的要求可以说是相当低了,因为其上面所经过的电流是很小的,更多时候只是用来表达电平的高低,因此当我们剪开一条数据线后,就会看到其供电线路的线缆明显会比数据线路的线缆更粗。也正是因为这样,对于传输数据的线材,连接是否牢固会比线材是否够粗、电阻是否够低要更为重要。也正因为这样,现在大部分的第三方数据线都会强调自家产品的电流通过能力,数据传输能力更多地是以是否支持USB 3.0/3.1或者雷电3等来进行表示。

如何选择一条好用的数据线?

那么我们该如何选择一条好用的数据线呢?对于用户来说,原装线材应该是首选的,因为原装线材即便在理论电气性能上没有第三方线材的好,但是在搭配自家设备使用时,肯定是不存在兼容性问题的,快充握手、数据传输与充电效率等都会有较好的保障,因为这些都已经由原厂经过了详细的测试验证;而对于第三方线材来说,高规格、大品牌仍然是一个相对安全的选择,而“一分钱一分货”也可以算是一个亘古不变的“真理”,毕竟一条售价仅为9.9元的“5A大电流USB 3.1 Type-C”线材,怎么看也不像是一个正常的存在。

而比较硬核的玩家则可以通过市面上一些简单器材来对数据线进行测量,例如拿两个的USB电流表就可以快速测定数据线的压降和电流,从而推算出线材的线阻,并以此计算出其在不同电流下的压降值,即可判断出这条数据线是否适合大电流的环境。当然如果你只是想快速选择一条合适自己的数据线,你不妨按照“45W最低选3A、65W或以上最低选5A、大品牌、长度合适、价格合适”这5个要点来购买。当然你如果是真的不差钱,完全可以选择足够粗的银线来定制一条足够长的数据线,只是你真的需要这样的数据线吗?


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