針對(duì)智能手機(jī)的快速充電方案

前言
早期有一個(gè)蘋(píng)果產(chǎn)生了地球萬(wàn)有引力，現(xiàn)在有一個(gè)蘋(píng)果加速了智能機(jī)時(shí)代的到來(lái)。從去年開(kāi)始，各大主流基帶廠家MTK、高通、博通、marvell、STE等紛紛推出了智能機(jī)方案，在2G時(shí)代feature phone趨于飽和，并且競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈的同時(shí)，各大手機(jī)公司紛紛押寶智能機(jī)，希望能夠搶得先機(jī)?？上У氖怯捎谥悄軝C(jī)時(shí)代還沒(méi)有哪家公司能夠提供像 feature phone時(shí)代MTK的tunekey，加上軟件驅(qū)動(dòng)人員的嚴(yán)重急缺。智能機(jī)成了高投入，回報(bào)周期很長(zhǎng)的一項(xiàng)投資，使得能夠在智能機(jī)有所斬獲的只能是向華為、中興等大公司，國(guó)內(nèi)專(zhuān)注PCBA的IDH在智能機(jī)有大批量的量產(chǎn)且正在賺到錢(qián)的的也就少之又少。

據(jù)isuppli統(tǒng)計(jì)表明，雖然智能手機(jī)在近兩年的增長(zhǎng)極為驚人，但在全球仍然有70%以上的用戶(hù)使用的是功能手機(jī)，在中國(guó)，這一比例則在85%左右。加上國(guó)內(nèi)IDH在智能機(jī)研發(fā)道路上遇到的諸多挑戰(zhàn)，手機(jī)芯片巨頭聯(lián)發(fā)科也與近期表示，他們相信大多數(shù)用戶(hù)仍喜歡價(jià)格相對(duì)便宜的功能手機(jī)，因此功能手機(jī)市場(chǎng)仍有廣闊的發(fā)展空間。最近，聯(lián)發(fā)科將推出“類(lèi)智能手機(jī)”，讓功能手機(jī)也能像智能機(jī)一樣疊加豐富應(yīng)用。這種類(lèi)智能機(jī)將可支持包括用戶(hù)接口、上網(wǎng)、大屏全觸控，通過(guò)這些功能的實(shí)現(xiàn)，使得類(lèi)智能機(jī)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載軟件，讓功能機(jī)也能像智能手機(jī)一樣的不斷擴(kuò)充個(gè)性化的應(yīng)用。

與智能機(jī)一樣，隨著類(lèi)智能機(jī)功能的不斷強(qiáng)大，電池的續(xù)航能力將會(huì)成為其中的一個(gè)死角?，F(xiàn)實(shí)生活中我們可能經(jīng)常會(huì)看到我們周邊的朋友隨聲帶兩個(gè)手機(jī)，一臺(tái)專(zhuān)門(mén)用來(lái)打電話，一臺(tái)用來(lái)娛樂(lè)。因?yàn)闊o(wú)論你的手機(jī)屏幕有多大，性能配置有多高，電池沒(méi)電了一切都是浮云。特別在印度等第三世界國(guó)家還有很多地方充電也是個(gè)問(wèn)題，2007年印度一家付費(fèi)電話公司 Micromax的高管注意到了一個(gè)新奇的景象。他們發(fā)現(xiàn)，在印度東部的一個(gè)村莊，人們?cè)谝粋€(gè)身后有輛自行車(chē)的人面前排起了長(zhǎng)龍，這人的自行車(chē)上綁著一臺(tái)車(chē)用蓄電池，大家交給他幾個(gè)盧比后，就可以把自己的手機(jī)插上去充電半小時(shí)。這些村民的家里沒(méi)有電。

為了解決電池續(xù)航的能力，早期的 feature phone廠家類(lèi)似像長(zhǎng)虹、phillip紛紛研制了大容量電池手機(jī)，或者采用艾為雙電池單芯片解決方案AW3312的雙電池手機(jī)。但是這兩種應(yīng)用都對(duì)手機(jī)的結(jié)構(gòu)提出了較高的要求，為了解決電池的問(wèn)題，從事手機(jī)行業(yè)的工程師想出了曲線救國(guó)的方式-“快速充電”來(lái)解決類(lèi)智能機(jī)時(shí)代的電池問(wèn)題。

手機(jī)實(shí)現(xiàn)充電三要素
手機(jī)上要實(shí)現(xiàn)快充功能需要滿(mǎn)足三要素，三者缺一不可。充電器、電池、charge IC。充電器需要滿(mǎn)足足夠的輸出電流以及輸出電壓，因?yàn)槌潆娖鞯淖呔€有很大的寄生電阻，如果要實(shí)現(xiàn)較大的充電電流，充電器的帶載輸出電壓需要較高。以充電器的寄生電阻為1歐姆來(lái)估算，主板充電器接口VCHG到VBAT的路徑電阻大概也有1歐姆左右，如果以1A快充的電流來(lái)簡(jiǎn)單計(jì)算的話，充電器的輸出電阻需要在6.5V左右。

目前手機(jī)使用的電池都是鋰離子電池，在手機(jī)工作時(shí)，電池不斷放電，電池電壓不斷下降，電池放電的電流不同，電壓下降的曲線速率也不同，一般來(lái)說(shuō)，在電池電壓3.5V～4.2V之間集中了90%的電池能量。電池能量分布如下圖所示。

結(jié)合鋰電池的實(shí)際情況，一般手機(jī)的工作設(shè)置為當(dāng)鋰離子電池放電到一定程度時(shí)，會(huì)通過(guò)軟件設(shè)置為不能通話或者強(qiáng)行關(guān)機(jī)。深度放電對(duì)鋰離子電池的壽命會(huì)造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷，因此關(guān)機(jī)電壓一般設(shè)置為3.5V左右。從電池的能量分布以及手機(jī)使用的實(shí)際情況來(lái)看，影響充電時(shí)間最大的是在恒流充電階段的充電電流，目前主流手機(jī)設(shè)置的充電電流為450mA左右。如果想實(shí)現(xiàn)快速的充電，最切實(shí)可行的方法就是提高恒流的充電時(shí)間。鋰電池的最佳充電速率為1C，這意味著一個(gè) 1000 mAh的電池組要以1000mA的電流進(jìn)行快速充電，以這種速率充電可以實(shí)現(xiàn)最短的充電時(shí)間，而且不會(huì)降低電池組的性能及縮短使用壽命。對(duì)于容量不斷增加的電池，欲達(dá)到這種滿(mǎn)意的充電速率，提高充電電流值是不可避免的。

本文以MT6235的充電為例。手機(jī)充電分涓流、恒流、恒壓充電，當(dāng)VBAT電壓小于3.3V為涓流充電，VBAT電壓在3.3～4.1V為恒流充電，大于4.1V到充電完成為恒壓充電。

上海艾為電子專(zhuān)門(mén)針對(duì)MT6235/36平臺(tái)推出的AW3208在增加OVP功能的同時(shí)，提供了智能充電功能，以滿(mǎn)足快速充電的功能。如圖2所示，AW3208內(nèi)置專(zhuān)有的K-ChargeTM技術(shù)，可根據(jù)芯片溫度智能調(diào)整輸出電流，以保證在充電期間整個(gè)充電系統(tǒng)的安全。使得手機(jī)在實(shí)現(xiàn)快速充電的時(shí)候不會(huì)因?yàn)橛捎诃h(huán)境溫度較高或者充電電流過(guò)大導(dǎo)致芯片進(jìn)入過(guò)溫保護(hù)使得充電沒(méi)法正常進(jìn)行。圖3為在MT6235上的典型應(yīng)用圖。

AW3208除了集成的K-Charge技術(shù)，由于AW3208采用的是DFN2X2-8L的封裝，在芯片的底部有很大的一個(gè)散熱片，相對(duì)于MT6236 早期BJT+NMOS的方案，在散熱跟最大功耗性能上有很大的提高。左下圖為AW3208測(cè)試demo，飛線到MT6235整機(jī)做實(shí)際充電測(cè)試，在 ACIN=5.25，VBAT=3.3V（采用安捷倫電源），手機(jī)充電設(shè)置為800mA，充電時(shí)間持續(xù)4小時(shí)，板子溫度符合上海某大型IDH標(biāo)準(zhǔn)（溫度不超過(guò)室溫15度）。

注1：GATDRV上外接1uF電容，確保激活過(guò)放電池
注2：1KΩ確保無(wú)需調(diào)整充電軟件

USB在快速充電中的方案
現(xiàn)在幾乎所有的手機(jī)都支持USB充電，USB接口的電流是500mA,電壓是＋5V，如果在插USB充電時(shí)還是按原先插充電器的快充模式，可能會(huì)因?yàn)閁SB接口沒(méi)法提供快充這么大的電流導(dǎo)致充電失敗。針對(duì)這種快充的應(yīng)用，目前的建議解決方法是需要修改充電的軟件流程，在軟件檢測(cè)到VCHG電壓的時(shí)候，先不要打開(kāi)充電模塊，執(zhí)行檢測(cè)是否USB充電，如果是充電電流執(zhí)行正常的充電模式，否則支持快充模式。

AW3208快充方案在layout中的注意事項(xiàng)
AW3208不但可以支持國(guó)內(nèi)充電器實(shí)現(xiàn)快速充電，同時(shí)由于AW3208集成了降壓OVP的功能，也可以支持海外諾基亞充電器輸出電壓較高時(shí)的快充充電。高電壓帶來(lái)的必然是高功耗，為了確保AW3208能夠?qū)崿F(xiàn)最大且最可靠的充電電流，請(qǐng)確保AW3208的散熱片是接到PCB的主地，且最好是把AW3208放置在板子中間，方便芯片散熱。

總結(jié)
不管是類(lèi)智能機(jī)還是智能機(jī)時(shí)代，電池的續(xù)航能力已經(jīng)成為了制約手機(jī)從普通的通話、短信功能機(jī)往大屏、游戲等功能一體的智能機(jī)發(fā)展最大的瓶頸。基于類(lèi)智能機(jī)推出的AW3208快充方案也只能算是一個(gè)折中的方案。如何解決好電池的續(xù)航能力已經(jīng)成為了整個(gè)手機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈都在研究的課題。電池廠家響應(yīng)國(guó)家綠色環(huán)保的概念，也開(kāi)始推出太陽(yáng)能手機(jī)電池。手機(jī)IC的廠家為了降低IC功耗，也在不斷的升級(jí)工藝制層以及設(shè)計(jì)能力，推出超低功耗產(chǎn)品。