手機(jī)快充芯片的工作原理和設(shè)計(jì)要求

　　目前隨著手機(jī)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(nèi)給自己的手機(jī)充得足夠的電量，以滿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(nèi)把電池接近充滿，則需要充電電流在3A以上。為了實(shí)現(xiàn)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(shè)大家對(duì)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(yīng)用在手機(jī)上的快充芯片的工作原理和設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也會(huì)簡(jiǎn)要介紹其他正在涌現(xiàn)的充電技術(shù)。

　　一、手機(jī)的四個(gè)充電環(huán)節(jié)

　　圖1 手機(jī)的四個(gè)充電環(huán)節(jié)

　　圖1總結(jié)了我們?cè)趯?shí)際充電過(guò)程中涉及到的四個(gè)環(huán)節(jié)：

　　1）充電適配器的任務(wù)是把220V的市電轉(zhuǎn)換為手機(jī)能夠承受的5V電壓（現(xiàn)在應(yīng)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)議的話題我們已在前面一篇公眾號(hào)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(guī)格。充電適配器屬于AC-DC的技術(shù)范疇，平常所說(shuō)的快充芯片其實(shí)是對(duì)適配器AC-DC芯片和手機(jī)端的開(kāi)關(guān)式充電管理芯片（以 DC-DC技術(shù)為實(shí)現(xiàn)手段）的統(tǒng)稱，但本文的快充芯片特指手機(jī)端的開(kāi)關(guān)式充電管理芯片。

　　2）充電線的任務(wù)就是負(fù)責(zé)把電壓/電流從適配器端傳送到手機(jī)端，由于目前絕大多數(shù)充電線實(shí)際上就是USB線。這里有一個(gè)參數(shù)需要提請(qǐng)大家注意。按照USB2.0的標(biāo)準(zhǔn)，線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(zhuǎn)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(jié)中最具有挑戰(zhàn)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家十分有限，主要還是以德州儀器，仙童半導(dǎo)體等少數(shù)幾家國(guó)外大廠為主，國(guó)內(nèi)的希荻微電子經(jīng)過(guò)幾年堅(jiān)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(guó)外大廠的壟斷局面，并已在各大手機(jī)方案商和品牌商得到廣泛的應(yīng)用?？斐湫酒唧w的工作原理將在下文做詳細(xì)討論。

　　4）電池是這個(gè)環(huán)節(jié)非常重要的部分，整個(gè)充電環(huán)節(jié)都是為了使電池快速而安全地充滿電量。電池的主要參數(shù)包括：容量（mAH，手機(jī)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(guī)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(jī)上得到更廣泛的應(yīng)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(nèi)即可充滿電池，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)就可以充滿電池，則此時(shí)可接受的最大充電電流即為6A；以此類推等等。下文將會(huì)看到，電池的這幾個(gè)參數(shù)將對(duì)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)程非常類似：

　　第一階段：當(dāng)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(duì)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(dāng)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，直至積滿整個(gè)水盆。

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

　　第一階段：涓流充電。電池的特點(diǎn)是，當(dāng)電池電壓（大致相當(dāng)于水位）非常低的時(shí)候，其內(nèi)部的鋰離子活動(dòng)性較差，內(nèi)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)階段稱為涓流充電，也有同行將之稱為線性充電或者預(yù)充電等等。

　　第二階段：恒流充電。當(dāng)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(nèi)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(shè)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(chǔ)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(dāng)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。

　　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(jù)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(shè)備例如手機(jī)供電，如果電池沒(méi)電了，自然手機(jī)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(yàn)有何不同。

　　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(guó)內(nèi)廠商推出的第一代快充芯片，請(qǐng)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(jī)系統(tǒng)供電。那么我們很容易想到：當(dāng)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(duì)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(tǒng)，因此手機(jī)是無(wú)法啟動(dòng)的。只有當(dāng)電池電壓已經(jīng)被充到足夠高之后，手機(jī)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(jī)呢？辦法是有的，只要我們把給電池充電的端口和給系統(tǒng)供電的端口做一個(gè)智能的隔斷，就可以達(dá)到這個(gè)目的。業(yè)界把這個(gè)功能稱為電源路徑管理，這個(gè)功能也是第二代快充芯片的標(biāo)志性特點(diǎn)之一。

　　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(tǒng)供電的SYS引腳和給電池充電的BAT引腳就是兩個(gè)獨(dú)立的引腳，在它們之間內(nèi)部集成了一個(gè)智能開(kāi)關(guān)。當(dāng)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(jí)系統(tǒng)的工作；當(dāng)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(dāng)于一根電阻很小的導(dǎo)線把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(xiàn)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(duì)其充電，以3.8V電池電壓計(jì)算，其接受的功率是11.4W，假設(shè)快充芯片的轉(zhuǎn)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(jù)前面分析的充電的四個(gè)環(huán)節(jié)，此時(shí)對(duì)線纜的要求就來(lái)了：如果快充芯片是工作在5V，那就意味著線上的電流是2.5A左右，這不僅超出了現(xiàn)有的USB2.0線纜的傳送能力，并且這么大的電流會(huì)在線纜上造成較大的功率損失。例如1米線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)的高壓輸電線一樣，提高傳送的電壓，線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，那么線上的電流就只有1.4A左右，因此現(xiàn)有的USB2.0線纜就足夠用了（節(jié)省成本?。?，線上的功耗也僅有0.5W。相應(yīng)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(duì)快充芯片的一個(gè)重要要求。

　　五、轉(zhuǎn)換效率

　　手機(jī)是一個(gè)用戶體驗(yàn)至上的電子設(shè)備，在充電方面，個(gè)人用戶不僅要求充電快速安全，同時(shí)更喜歡發(fā)熱較低的手機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，對(duì)快充芯片的要求自然就是高轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)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(jī)設(shè)計(jì)的時(shí)候，也應(yīng)對(duì)散熱措施多加考慮等等。可喜的是，國(guó)產(chǎn)廠家充分意識(shí)到了轉(zhuǎn)換效率對(duì)用戶的重要性，產(chǎn)品在指標(biāo)上已經(jīng)趕超了國(guó)外品牌，如圖5所示。

　　圖5 快充芯片的轉(zhuǎn)換效率曲線

　　六、充電參數(shù)的可配置性

　　正如前面對(duì)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(jù)不同的電池，通過(guò)軟件配置不同的充電參數(shù)，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(shù)還有：

　　1）輸入電壓限壓閾值

　　2）輸入電流限流閾值

　　3）充電截止電流

　　4）芯片的工作模式控制

　　七、耐壓和抗浪涌能力設(shè)計(jì)

　　在手機(jī)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。充電線的反復(fù)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(yīng)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(wěn)定的地區(qū)，其浪涌電壓會(huì)高達(dá)300V以上，這要求快充芯片在加上保護(hù)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(jī)上的快充芯片，其功能期望還包括OTG功能，檢測(cè)電池溫度，系統(tǒng)復(fù)位和輸運(yùn)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(zhuǎn)換效率。限于篇幅這兩方面的內(nèi)容就不一一展開(kāi)了。歡迎有興趣的朋友和本文作者聯(lián)系，我們一起做進(jìn)一步的探討，共同努力把我們中國(guó)的快充芯片做好做強(qiáng)做大！