华为、OPPO手机快速充电工作原理及相关技术指标

如今跟随手机配备的锂离子电池容量愈来愈大，人们希望能够在尽也许短的时间内给自己的手机充得足够的电量，以满足自己平常生活和工作的需求，OPPO、华为、小米手机都推出了快充手机（其中OPPO 经典广告是充电5分钟通话两小时）。例如，华为P9配备3000mAH小时的锂离子电池，假如期许在一小时内把电池接近充满，则需求充电电流在3A以上。为了完成这么大电流的充电，应用开关式充电管理芯片（下头简称快充芯片）是一个很好的方案，这也是业界如今一起的选择。本文假定大家对DCDC的工作原理已有基本的了解，主要从技术的角度来分析应用在手机上的快充芯片的工作原理和设计请求，同时也会扼要介绍其他正在出现的充电技术。一. 手机的四个充电环节我们在实际充电过程当中触及到的四个环节：1）充电适配器的任务是把220V的市电转换为手机能够蒙受的5V电压（目前应各类充电协议，如QC和USB PD（Type C接口）等的请求，也请求能够送出9V/12V/14.5V甚至20V的电压），同时具有必定的功率输出能力，例如5V/2A, 9V/1A等等规格。充电适配器属于AC-DC的技术范围，平凡所说的快充芯片实际上是对适配器AC-DC芯片和手机端的开关式充电管理芯片（以DC-DC技术为完成手段）的统称，但本文的快充芯片特指手机端的开关式充电管理芯片。2）充电线的任务就是负责把电压/电流从适配器端传送到手机端，因为如今绝大大部分充电线实际上就是USB线。这里有一个参数需求提请大家留意。依照USB2.0的标准，线缆需求具有传送最大1.8A的电流能力，所以假如是5V的适配器，USB2.0的线缆最大能传送的功率其实只有9W。3）快充芯片的任务是把适配器的5V/9V/12V等电压转换成电池的电压，同时依照需求的充电电流准确可控地向电池进行充电。从技术上看，快充芯片是这四个环节中最具有挑战的部分，所以如今业界有能力提供高品质高靠得住性的快充芯片的厂家非常有限，主要还是以德州仪器，仙童半导体等一部分几家国外大厂为主，国内的希荻微电子通过几年锲而不舍的自主研发，已推出了一系列的快充芯片，打破了国外大厂的垄断局势，并已在各大手机方案商和品牌商获得普遍的应用。快充芯片详细的工作原理将在下文做详细议论。4）电池是这个环节特别重要的部分，全部充电环节都是为了使电池迅速而安全地充满电量。电池的主要参数包含：容量（mAH，手机中罕见的有2000mAH, 3000mAH和4100mAH），充电截止电压（如今罕见的有4.2V, 4.35V和4.4V规格，更高的充电截止电压，在一致的电池体积情形下，通常具有更高的电池容量，所以如今所谓的4.35V及以上的高压电池逐步在手机上获得更普遍的应用），和可接纳的最大充电电流等等。其中，可接纳的最大充电电流普通以nC来表示。例如一个3000mAH的电池，1C的充电速度是指一个小时以内便可充满电池，此时可接纳的最大充电电流就是3A；假如许可2C的充电速度，那么理论上半小时便能够充满电池，则此时可接纳的最大充电电流即为6A；以此类推等等。下文将会看到，电池的这几个参数将对选用适合的快充芯片产生直接的影响。二. 经典的三段式充电其实给锂离子电池充电的过程和我们生活顶用水龙头向洗脸盆放水的过程特别相似：第一阶段：当开始给一个空的脸盆放水的时候，为了不让水溅出来，会把水量控制得很小；第二阶段：比及脸盆底部积满了必定水位以后，才把水龙头开得比较大，脸盆里已有的水能够对这样急速的进水起到缓冲用处，从而不会有水花溅出；第三阶段：当水位快到脸盆顶部的时候，此时我们又会逐步减小进水量，以免有水冲出脸盆以外，直至积满全部水盆。电池就像这个脸盆，只可是它贮存的不是水，而是电荷。电池的充电也有相似的三个阶段：第一阶段：涓流充电。电池的特色是，当电池电压（大致相当于水位）特别低的时候，其内部的锂离子活动性较差，内阻较大，所以只能接纳较小的充电电流（普通在30到50mA左右），不然电池简单发烧和老化，不只伤害电池寿命，而且有潜在的安全问题，所以把这个阶段称为涓流充电，也有同行将之称为线性充电或许预充电等等。第二阶段：恒流充电。当电池电压高于2V以上，电池的锂离子活动性被充足激活，内阻也较小，所以能够接纳大电流的充电。在这个阶段，快充芯片会依照设定向电池提供可接纳的充电电流，所以在这个阶段电池获得的电量也是最大的，能够占到容量的70%到80%以上。第三阶段：恒压充电。电池是一个非常娇气的储能元件，它的电池电压不许可超过截止电压的±50mV，不然就会有安全隐患。所以，当电池电压被充到接近充电截止电压的时候，快充芯片必须能够自动减小充电电流，控制“水花”不要超过范围，直至把电池彻底充满。一个及格的快充芯片，必须能够依据电池电压的上下，自动地控制充电过程在上述三个阶段之间进行无缝切换，而无需其他硬件或许软件的帮助。三. 电源道路管理功能电池的目的是要给电子设备例如手机供电，假如电池没电了，自然手机也就没办法工作了，所以这个时候必须要插上充电器充电。我们来看看几种不一样的快充芯片在应用上的体验有何不一样。国内厂商推出的第一代快充芯片，当电池电压很低的情形下，即使插入了充电器，即快充芯片已经在对电池进行充电了，但因为此时电池电压很低，缺乏以开启系统，所以手机是没办法启动的。只有当电池电压已经被充到足够高以后，手机才能够正常工作。我们自然会问，有无一种方法，只需我们插入了充电器，即使电池电压很低，也能够启动手机呢？方法是有的，只需我们把给电池充电的端口和给系统供电的端口做一个智能的隔绝，便能够达到这个目的。业界把这个功能称为电源道路管理，这个功能也是第二代快充芯片的标忘性特色之一。给系统供电的SYS引脚和给电池充电的BAT引脚就是两个独自的引脚，在它们之间内部集成了一个智能开关。当电池电压较低的情形下，这个智能开关处于半开启的状态，把SYS和BAT的电压自然拉开，以保障SYS的电压足以赞同后级系统的工作；当电池电压足够高以后，这个智能开关才彻底开启，相当于一根电阻很小的导线把SYS和BAT短接在一起，以最洪水平下降其间的功耗。四. 高电压工作目前的电池容量愈来愈大，所以在充电的时候，其需求的功率是很大的。例如，一个3000mAH的电池，若以3A对其充电，以3.8V电池电压计算，其接纳的功率是11.4W，假定快充芯片的转换效率是90%，那么进入快充芯片的功率就是12.7W左右。依据前面分析的充电的四个环节，此时对线缆的请求就来了：假如快充芯片是工作在5V，那就意味着线上的电流是2.5A左右，这不只超过了现有的USB2.0线缆的传送能力，而且这么大的电流会在线缆上形成较大的功率亏损。例如1米线缆的寄生电阻大约是250毫欧，其功耗就差不多1.5W！为了处理这个问题，我们能够像生活中罕见的高压输电线一样，提升传送的电压，线上的电流和功耗也就自然降下来了。还是适才的例子，若传送的电压换成9V，那么线上的电流就只有1.4A左右，所以现有的USB2.0线缆就足够用了（节俭本钱！），线上的功耗也唯一0.5W。相应地，快充芯片也需求在9V，12V甚至20V的工作电压下正常工作。这是对快充芯片的一个重要请求。五. 转换效率手机是一个用户体验至上的电子设备，在充电方面，个人用户不只请求充电迅速安全，同时更爱好发烧较低的手机。为了完成这个目的，对快充芯片的请求自然就是高转换效率。固然除此以外，还需求快充芯片选用低热阻的封装，例如带散热盘的QFN封装；在手机设计的时候，也应对散热办法多加考虑等等。可喜的是，国产厂家充足意识到了转换效率对用户的重要性，产品在指标上已经赶超了国外品牌。六. 充电参数的可配置性正如前面临电池的分析，因为不一样的电池能够接纳的电流能力不一样，其充电截止电压也不一样，这请求快充芯片能够依据不一样的电池，通过软件配置不一样的充电参数，以提升快充芯片的通用性。通常，快充芯片是通过I2C接口来完成这些配置。其他需求配置的罕见参数还有：l 输入电压限压阈值l 输入电流限流阈值l 充电截止电流l 芯片的工作形式控制七. 耐压和抗浪涌能力设计在手机里面，快充芯片是USB/Type C接口出去看见的第一颗芯片。充电线的重复插拔会带来很高的毛刺电压，这需求快充芯片具有优越的耐压能力；在USB2.0的应用下，需求快充芯片具有20V以上的耐压能力。更具威逼的是电网通过适配器传送过来的浪涌电压，特别是在像印度这样电网非常不稳固的地区，其浪涌电压会高达300V以上，这请求快充芯片在加上保护器件（例如TVS）的情形下能安全工作而不会被破坏。八. 其他请求和其他快充技术用于手机上的快充芯片，其功能期许还包含OTG功能，检测电池温度，系统复位和输运形式的功能等等。另外，如今正在兴起的高压直充技术也是特别值得关注的方向，其做法与高压快充正好相反，是通过下降适配器的输出电压，在恒流充电阶段使其与电池电压坚持足够小的同步压差跟踪，以此提升充电电流，并同时提升转换效率。

作者：头条号 / 万通手机维修培训学校

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