手機快充芯片的工作原理和設計要求

手機快充芯片的工作原理和設計要求

文章來(lái)自網(wǎng)絡(luò )。

　　目前隨著(zhù)手機配備的鋰離子電池容量越來(lái)越大，人們希望能夠在盡量短的時(shí)間內給自己的手機充得足夠的電量，以滿(mǎn)足自己日常生活和工作的需要。例如，華為P9配備3000mAH小時(shí)的鋰離子電池，如果期望在一小時(shí)內把電池接近充滿(mǎn)，則需要充電電流在3A以上。為了實(shí)現這么大電流的充電，使用開(kāi)關(guān)式充電管理芯片（下面簡(jiǎn)稱(chēng)快充芯片）是一個(gè)很好的方案，這也是業(yè)界目前共同的選擇。本文假設大家對DCDC的工作原理已有基本的了解，主要從技術(shù)的角度來(lái)分析應用在手機上的快充芯片的工作原理和設計要求，同時(shí)也會(huì )簡(jiǎn)要介紹其他正在涌現的充電技術(shù)。

一. 手機的四個(gè)充電環(huán)節

登錄/注冊后可看大圖

圖1  手機的四個(gè)充電環(huán)節

　　圖1總結了我們在實(shí)際充電過(guò)程中涉及到的四個(gè)環(huán)節：

　　1）充電適配器的任務(wù)是把220V的市電轉換為手機能夠承受的5V電壓（現在應各種充電協(xié)議，如QC和USB PD（Type C接口）等的要求，也要求能夠送出9V/12V/14.5V甚至20V的電壓。關(guān)于充電協(xié)議的話(huà)題我們已在前面一篇公眾號做過(guò)討論），同時(shí)具有一定的功率輸出能力，例如5V/2A, 9V/1A等等規格。充電適配器屬于A(yíng)C-DC的技術(shù)范疇，平常所說(shuō)的快充芯片其實(shí)是對適配器AC-DC芯片和手機端的開(kāi)關(guān)式充電管理芯片（以 DC-DC技術(shù)為實(shí)現手段）的統稱(chēng)，但本文的快充芯片特指手機端的開(kāi)關(guān)式充電管理芯片。

　　2）充電線(xiàn)的任務(wù)就是負責把電壓/電流從適配器端傳送到手機端，由于目前絕大多數充電線(xiàn)實(shí)際上就是USB線(xiàn)。這里有一個(gè)參數需要提請大家注意。按照USB2.0的標準，線(xiàn)纜需要具備傳送最大1.8A的電流能力，因此如果是5V的適配器，USB2.0的線(xiàn)纜最大能傳送的功率其實(shí)只有9W。

　　3）快充芯片的任務(wù)是把適配器的5V/9V/12V等電壓轉換成電池的電壓，同時(shí)按照需要的充電電流精確可控地向電池進(jìn)行充電。從技術(shù)上看，快充芯片是這四個(gè)環(huán)節中最具有挑戰的部分，因此目前業(yè)界有能力提供高品質(zhì)高可靠性的快充芯片的廠(chǎng)家十分有限，主要還是以德州儀器，仙童半導體等少數幾家國外大廠(chǎng)為主，國內的某電子廠(chǎng)經(jīng)過(guò)幾年堅持不懈的自主研發(fā)，已推出了一系列的快充芯片，打破了國外大廠(chǎng)的壟斷局面，并已在各大手機方案商和品牌商得到廣泛的應用�？斐湫酒�具體的工作原理將在下文做詳細討論。

　　4）電池是這個(gè)環(huán)節非常重要的部分，整個(gè)充電環(huán)節都是為了使電池快速而安全地充滿(mǎn)電量。電池的主要參數包括：容量（mAH，手機中常見(jiàn)的有2000mAH, 3000mAH和4100mAH），充電截止電壓（目前常見(jiàn)的有4.2V, 4.35V和4.4V規格，更高的充電截止電壓，在同等的電池體積情況下，通常具有更高的電池容量，因此目前所謂的4.35V及以上的高壓電池逐漸在手機上得到更廣泛的應用），以及可接受的最大充電電流等等。其中，可接受的最大充電電流一般以nC來(lái)表示。例如一個(gè)3000mAH的電池，1C的充電速度是指一個(gè)小時(shí)之內即可充滿(mǎn)電池，此時(shí)可接受的最大充電電流就是3A；如果允許2C的充電速度，那么理論上半小時(shí)就可以充滿(mǎn)電池，則此時(shí)可接受的最大充電電流即為6A；以此類(lèi)推等等。下文將會(huì )看到，電池的這幾個(gè)參數將對選用合適的快充芯片產(chǎn)生直接的影響。

二. 經(jīng)典的三段式充電

　　其實(shí)給鋰離子電池充電的過(guò)程和我們生活中用水龍頭向洗臉盆放水的過(guò)程非常類(lèi)似：

　　第一階段：當開(kāi)始給一個(gè)空的臉盆放水的時(shí)候，為了不讓水濺出來(lái)，會(huì )把水量控制得很��；

　　第二階段：等到臉盆底部積滿(mǎn)了一定水位之后，才把水龍頭開(kāi)得比較大，臉盆里已有的水可以對這樣急速的進(jìn)水起到緩沖作用，從而不會(huì )有水花濺出；

　　第三階段：當水位快到臉盆頂部的時(shí)候，此時(shí)我們又會(huì )逐漸減小進(jìn)水量，以防止有水沖出臉盆之外，直至積滿(mǎn)整個(gè)水盆。

電池就像這個(gè)臉盆，只不過(guò)它儲存的不是水，而是電荷。電池的充電也有類(lèi)似的三個(gè)階段：

　　第一階段：涓流充電。電池的特點(diǎn)是，當電池電壓（大致相當于水位）非常低的時(shí)候，其內部的鋰離子活動(dòng)性較差，內阻較大，因此只能接受較小的充電電流（一般在30到50mA左右），否則電池容易發(fā)熱和老化，不僅損害電池壽命，而且有潛在的安全問(wèn)題，因此把這個(gè)階段稱(chēng)為涓流充電，也有同行將之稱(chēng)為線(xiàn)性充電或者預充電等等。

　　第二階段：恒流充電。當電池電壓高于2V以上，電池的鋰離子活動(dòng)性被充分激活，內阻也較小，所以能夠接受大電流的充電。在這個(gè)階段，快充芯片會(huì )按照設定向電池提供可接受的充電電流，因此在這個(gè)階段電池得到的電量也是最大的，可以占到容量的70%到80%以上。

　　第三階段：恒壓充電。電池是一個(gè)十分嬌氣的儲能元件，它的電池電壓不允許超過(guò)截止電壓的±50mV，否則就會(huì )有安全隱患。因此，當電池電壓被充到接近充電截止電壓的時(shí)候，快充芯片必須能夠自動(dòng)減小充電電流，控制“水花”不要超出范圍，直至把電池完全充滿(mǎn)。

登錄/注冊后可看大圖

圖2  三段式充電示意圖

　　一個(gè)合格的快充芯片，必須能夠根據電池電壓的高低，自動(dòng)地控制充電過(guò)程在上述三個(gè)階段之間進(jìn)行無(wú)縫切換，而無(wú)需其他硬件或者軟件的幫助。

三. 電源路徑管理功能

　　電池的目的是要給電子設備例如手機供電，如果電池沒(méi)電了，自然手機也就無(wú)法工作了，所以這個(gè)時(shí)候必須要插上充電器充電。我們來(lái)看看幾種不同的快充芯片在使用上的體驗有何不同。

登錄/注冊后可看大圖

圖3 不帶電源路徑管理功能的快充芯片工作示意圖

　　圖3是國內廠(chǎng)商推出的第一代快充芯片，請注意紅圈所指的位置。此處，既是電池正極所在之處，也是由這一點(diǎn)向手機系統供電。那么我們很容易想到：當電池電壓很低的情況下，即便插入了充電器，即快充芯片已經(jīng)在對電池進(jìn)行充電了，但由于此時(shí)電池電壓很低，不足以開(kāi)啟系統，因此手機是無(wú)法啟動(dòng)的。只有當電池電壓已經(jīng)被充到足夠高之后，手機才能正常工作。

　　我們自然會(huì )問(wèn)，有沒(méi)有一種辦法，只要我們插入了充電器，即便電池電壓很低，也可以啟動(dòng)手機呢？辦法是有的，只要我們把給電池充電的端口和給系統供電的端口做一個(gè)智能的隔斷，就可以達到這個(gè)目的。業(yè)界把這個(gè)功能稱(chēng)為電源路徑管理，這個(gè)功能也是第二代快充芯片的標志性特點(diǎn)之一。

登錄/注冊后可看大圖

圖4 帶電源路徑管理功能的快充芯片工作示意圖

　　圖4中，給系統供電的SYS引腳和給電池充電的BAT引腳就是兩個(gè)獨立的引腳，在它們之間內部集成了一個(gè)智能開(kāi)關(guān)。當電池電壓較低的情況下，這個(gè)智能開(kāi)關(guān)處于半開(kāi)啟的狀態(tài)，把SYS和BAT的電壓自然拉開(kāi)，以保證SYS的電壓足以支持后級系統的工作；當電池電壓足夠高之后，這個(gè)智能開(kāi)關(guān)才完全開(kāi)啟，相當于一根電阻很小的導線(xiàn)把SYS和BAT短接在一起，以最大程度降低其間的功耗。

四. 高電壓工作

　　現在的電池容量越來(lái)越大，因此在充電的時(shí)候，其需要的功率是很大的。例如，一個(gè)3000mAH的電池，若以3A對其充電，以3.8V電池電壓計算，其接受的功率是11.4W，假設快充芯片的轉換效率是90%，那么進(jìn)入快充芯片的功率就是12.7W左右。根據前面分析的充電的四個(gè)環(huán)節，此時(shí)對線(xiàn)纜的要求就來(lái)了：如果快充芯片是工作在5V，那就意味著(zhù)線(xiàn)上的電流是2.5A左右，這不僅超出了現有的USB2.0線(xiàn)纜的傳送能力，并且這么大的電流會(huì )在線(xiàn)纜上造成較大的功率損失。例如1米線(xiàn)纜的寄生電阻大約是250毫歐，其功耗就差不多1.5W！為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們可以像生活中常見(jiàn)的高壓輸電線(xiàn)一樣，提高傳送的電壓，線(xiàn)上的電流和功耗也就自然降下來(lái)了。還是剛才的例子，若傳送的電壓換成9V，那么線(xiàn)上的電流就只有1.4A左右，因此現有的USB2.0線(xiàn)纜就足夠用了（節省成本�。�，線(xiàn)上的功耗也僅有0.5W。相應地，快充芯片也需要在9V，12V甚至20V的工作電壓下正常工作。這是對快充芯片的一個(gè)重要要求。

五. 轉換效率

　　手機是一個(gè)用戶(hù)體驗至上的電子設備，在充電方面，個(gè)人用戶(hù)不僅要求充電快速安全，同時(shí)更喜歡發(fā)熱較低的手機。為了實(shí)現這個(gè)目標，對快充芯片的要求自然就是高轉換效率。當然除此之外，還需要快充芯片選用低熱阻的封裝，例如帶散熱盤(pán)的QFN封裝；在手機設計的時(shí)候，也應對散熱措施多加考慮等等�？上驳氖�，國產(chǎn)廠(chǎng)家充分意識到了轉換效率對用戶(hù)的重要性，產(chǎn)品在指標上已經(jīng)趕超了國外品牌，如圖5所示。

登錄/注冊后可看大圖

圖5 快充芯片的轉換效率曲線(xiàn)

六. 充電參數的可配置性

　　正如前面對電池的分析，由于不同的電池可以接受的電流能力不同，其充電截止電壓也不一樣，這要求快充芯片能夠根據不同的電池，通過(guò)軟件配置不同的充電參數，以提高快充芯片的通用性。通常，快充芯片是通過(guò)I2C接口來(lái)完成這些配置。其他需要配置的常見(jiàn)參數還有：

　　l 輸入電壓限壓閾值

　　l 輸入電流限流閾值

　　l 充電截止電流

　　l 芯片的工作模式控制

七. 耐壓和抗浪涌能力設計

　　在手機里面，快充芯片是USB/Type C接口進(jìn)來(lái)看見(jiàn)的第一顆芯片。充電線(xiàn)的反復插拔會(huì )帶來(lái)很高的毛刺電壓，這需要快充芯片具有良好的耐壓能力；在USB2.0的應用下，需要快充芯片具有20V以上的耐壓能力。更具威脅的是電網(wǎng)通過(guò)適配器傳送過(guò)來(lái)的浪涌電壓，尤其是在像印度這樣電網(wǎng)十分不穩定的地區，其浪涌電壓會(huì )高達300V以上，這要求快充芯片在加上保護器件（例如TVS）的情況下能安全工作而不會(huì )被損壞。

八. 其他要求和其他快充技術(shù)

　　用于手機上的快充芯片，其功能期望還包括OTG功能，檢測電池溫度，系統復位和輸運模式的功能等等。另外，目前正在興起的低壓直充技術(shù)也是非常值得關(guān)注的方向，其做法與高壓快充正好相反，是通過(guò)降低適配器的輸出電壓，在恒流充電階段使其與電池電壓保持足夠小的同步壓差跟蹤，以此提高充電電流，并同時(shí)提高轉換效率。限于篇幅這兩方面的內容就不一一展開(kāi)了。

  太長(cháng)了， 這個(gè)快充應該是以后的趨勢。

學(xué)習了~~感謝樓主~~威武~~~~