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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，OPPO、華為、小米手機(jī)都推出了快充手機(jī)（其中OPPO 經(jīng)典廣告是充電5分鐘通話兩小時(shí)）。例如，華為P9配備小時(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)
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），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)端的開關(guān)式充電管理芯片。
【華為、OPPO手機(jī)快速充電工作原理及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)】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的適配器鋰離子電池充電和放點(diǎn)原理，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)中常見的有, 和），充電截止電壓（目前常見的有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)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?。壞詼?錐危旱鵲攪撐璧撞炕??艘歡ㄋ?恢?螅?才把水龍頭開得比較大，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)階段鋰離子電池充電和放點(diǎn)原理，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。
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。
國(guó)內(nèi)廠商推出的第一代快充芯片，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。
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)智能開關(guān) 。當(dāng)電池電壓較低的情況下，這個(gè)智能開關(guān)處于半開啟的狀態(tài)，把SYS和BAT的電壓自然拉開，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)智能開關(guān)才完全開啟，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)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?。?nbsp;，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 ?？上驳氖?，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。
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參數(shù)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(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。
本文到此結(jié)束，希望對(duì)大家有所幫助。

華為、OPPO手機(jī)快速充電工作原理及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

華為、OPPO手機(jī)快速充電工作原理及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)