用充電IC實(shí)現(xiàn)手機(jī)快速充電

摘要：本文介紹了手機(jī)快速充電IC的設(shè)計(jì)考慮，除了手機(jī)，還可應(yīng)用于平板電腦、無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域，并重點(diǎn)分析了TI公司MaxCharge實(shí)現(xiàn)快充的方法。電芯如果采用快充電芯，MaxCharge的bq25892芯片可以做到1.5C電流，34分鐘可以從0%充到80%。

1 電池容量迅速提升

　　由智能手機(jī)電池的發(fā)展趨勢(shì)(圖1)可見(jiàn)，這兩年電池容量有所突變。據(jù)德州儀器(TI)電池管理產(chǎn)品(BMS)大中華區(qū)市場(chǎng)和應(yīng)用部門(mén)經(jīng)理文司華介紹，電池容量的突變并不在于電池密度是否有顯著提高，而在于手機(jī)的屏幕變大了，所以電池容量、電池空間增大。另外，電池電壓也在不斷提高，原來(lái)都是4.2V電池，現(xiàn)在變成4.35V，今年有廠家在做4.4V電芯。電壓提高的原因是：電芯每增加0.1V，能讓電池續(xù)航時(shí)間提升5%~8%左右。

2 傳統(tǒng)的充電設(shè)計(jì)觀念

　　現(xiàn)在第五代手機(jī)(尤其是Android手機(jī))的電池容量能做到3000mAh，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)架帶來(lái)挑戰(zhàn)，用原來(lái)的適配器去充電已經(jīng)落伍了，以前的適配器，USB 2.0是5V輸出，0.5A電流，合計(jì)2.5W，現(xiàn)在對(duì)智能機(jī)有點(diǎn)慢。很多標(biāo)配的適配器是5V/1A，包括蘋(píng)果iPhone 5以前也是如此，這已算不錯(cuò)，但也只有5W。對(duì)于Android手機(jī)，三星以前的Galaxy S4 2600 mAh應(yīng)該是不夠的，S4充電電流是1.5A以上，適配器從5W一直在往上升，真正的BC 1.2(Battery Charging 1.2)協(xié)議，包括國(guó)標(biāo)在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)適配器是5V/1.5A，就是7.5W。但這對(duì)3000mAh的電芯還是不夠的。因?yàn)殡姵爻潆娝俣绕鋵?shí)和電池大小沒(méi)關(guān)系。例如，當(dāng)智能手環(huán)上的電池只有200mAh，是不是用一個(gè)輸出電流更大的適配器就能讓它充得更快?其實(shí)不然，因?yàn)殡姵爻潆娛且想娦緩S規(guī)定的最大許可C倍率的。200mAh產(chǎn)品，1C等于200mA，只要把容量拿出來(lái)，mAh的小時(shí)(h)拿掉，就是1C。通常比較安全的充電速率都是0.5C，但其實(shí)0.7C也是很安全的，而且大部分手機(jī)可以做到0.7C。所以，不管電池多大都用0.7C充電，其實(shí)充電時(shí)間是一樣的，很大的電芯用0.7C充電，3個(gè)多小時(shí)也能充滿(mǎn)，很小的電池也必須用3小時(shí)充滿(mǎn)，不能提高得更快。以上是以前的觀點(diǎn)。

3 快速充電的兩種途徑

　　現(xiàn)在問(wèn)題來(lái)了，如果用3000mAh的電池，要用0.7C充的話(huà)，要用0.7×3000=2.1A。但2.1A已經(jīng)突破適配器的電流，因?yàn)槌Ｒ?guī)的適配器是5V/1.5A，2.1A已經(jīng)突破極限了。所以3000mAh的Android手機(jī)的充電時(shí)間就會(huì)變慢，這是由于快充時(shí)，一方面現(xiàn)在的適配器都不能夠支持正常的大電量充電，因此充電速率變慢了;另一方面怎樣把3個(gè)小時(shí)再縮短?例如，希望用10分鐘把20%的電量充到80%?需要把常規(guī)的3.5小時(shí)以上縮短到1小時(shí)或1.5小時(shí)，這是真正的提速和快充。

　　解決方案的一個(gè)關(guān)鍵是提高電流。由于傳統(tǒng)的USB輸出功率受限，輸出電壓只有5V，所以出現(xiàn)一個(gè)瓶頸，充電線(xiàn)的粗細(xì)程度有一定的規(guī)范，普遍不能支持2A的電流，原因在于線(xiàn)的阻抗是固定的，電流再大，根據(jù)P=I2R，線(xiàn)阻的功率損耗較大，尤其轉(zhuǎn)接頭上也有一定的接觸電阻，因此有些廠家的方案是配備特殊的線(xiàn)纜，有更小的阻抗。所以，電流增大是個(gè)途徑，但是必須付出一些代價(jià)。例如，去年OPPO推出的閃充，其線(xiàn)材、適配器都是特殊的，這是一種方法。

　　另一個(gè)方法是通過(guò)升壓的方式，這是目前關(guān)注度最高的。而且今年很多量產(chǎn)的手機(jī)新品會(huì)帶有快充，從1C到1.5C不等，國(guó)產(chǎn)廠商也一定會(huì)有這種方案。以下詳細(xì)介紹這種升壓方案。

　　升壓方案可以把適配器的5V電壓提升。之前市場(chǎng)已經(jīng)有類(lèi)似的方案，只不過(guò)今天我們是從手機(jī)內(nèi)部的Charger(充電)IC角度來(lái)看，當(dāng)適配器能升到7V、9V、12V時(shí)，Charger IC怎樣應(yīng)付這種情況。例如，TI的MaxCharge bq2589x是第一款高壓輸入(最大正常工作電壓14V)大電流(5A)充電芯片，它的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是能提升功率而不增加損耗，因?yàn)镻=UI，在提升電壓的同時(shí)，功率隨之提高，但由于電流沒(méi)有改變，仍然在2A以下，線(xiàn)纜可以不用換，適配器接口也不用換。

4 手機(jī)主板上的快充IC

　　USB線(xiàn)纜連接到手機(jī)上遇到的第一顆芯片叫Charger IC，是放在手機(jī)主板上的(圖2)。

　　TI的MaxCharge可以獨(dú)立識(shí)別并兼容普通5V以及更高電壓輸出的專(zhuān)有適配器。獨(dú)立識(shí)別的意思是，實(shí)際上識(shí)別高壓適配器有很多種方式，比如你可以通過(guò)AP(應(yīng)用處理器，即主芯片)。獨(dú)立的意思，Charger IC作為主板門(mén)戶(hù)IC能夠不需要任何其他芯片的介入，自己就能夠識(shí)別是5V適配器還是更高電壓的適配器。原因是支持D+/D-信號(hào)以及VBUS電流脈沖兩種適配器的握手信號(hào)。

　　因此，MaxCharge芯片的好處，首先是能夠通過(guò)支持高輸入電壓支持快速的充電體驗(yàn)。我們可以把充電IC想象成黑盒子，輸入端的功率和輸出端功率中間有9%~10%效率損耗，輸入端如果電壓提升的話(huà)，整個(gè)輸入端功率也會(huì)相應(yīng)提升，輸出端是單節(jié)鋰電池(現(xiàn)在手機(jī)、平板大都是單節(jié)鋰電池，3.7V左右)的電壓是固定的，3V~4.2V~4.3V，平臺(tái)電壓一般是3.7V，如果計(jì)算，例如輸入端功率是7.5W，5V/1A的適配器，假如100%的效率，輸出端的電流約是2A。因?yàn)檩敵龅碾姵仉妷菏?.7V、3.8V平臺(tái)電壓，所以：7.5/3.7≈2A。