“ 一小時(shí)充好電”-智能手機(jī)充電管理方案

前沿

蘋果iPhone的出現(xiàn)，讓智能手機(jī)的概念走進(jìn)了千家萬(wàn)戶。隨著智能手機(jī)的快速普及，消費(fèi)者對(duì)于智能手機(jī)功能以及體驗(yàn)需求不斷提升，使得智能手機(jī)廠家不斷的追求硬件參數(shù)高配置。最為明顯的就是CPU核數(shù)以及屏幕尺寸不斷的變大，最近國(guó)產(chǎn)華為手機(jī)更是推出了6.1英寸，四核1.GHz CPU的Mate智能手機(jī)，把智能手機(jī)的硬件參數(shù)推到了另一個(gè)頂峰。但是這兩個(gè)硬件參數(shù)的提升卻嚴(yán)重的影響到了消費(fèi)者對(duì)手機(jī)待機(jī)時(shí)間的需求。

年初，美國(guó)資訊公司 J.D. Power發(fā)布了2012年智能手機(jī)用戶滿意度調(diào)查報(bào)告，調(diào)查結(jié)果也表明手機(jī)電池是智能手機(jī)的使用瓶頸。該調(diào)查還顯示，手機(jī)電池的耗電量是決定客戶是否對(duì)手機(jī)滿意的最重要因素之一。一款簡(jiǎn)單的功能機(jī)，充滿電后放上十天半個(gè)月不充電也是稀松平常的事。但是智能手機(jī)每天都得插上充電器，就像回到了有線電話時(shí)代，總有條“繩子”跟著你的手機(jī)。很遺憾鋰電池技術(shù)突破遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有跟上其它硬件的發(fā)展腳步，智能手機(jī)耗電激增更是將手機(jī)電池推向了絕對(duì)的瓶頸期。這種情況下，想要在電池端下工夫，只能增加電池體積以增大容量。目前主流手機(jī)電池容量多在1000-2000mAh之間，大尺寸的機(jī)器會(huì)出現(xiàn)配備2500mAh電池的手機(jī)，而華為的mate更是配了4050mAh的電池。

大容量電池必然帶來(lái)長(zhǎng)時(shí)間的充電時(shí)間，同時(shí)對(duì)智能手機(jī)的充電技術(shù)提出了更高的要求。本文主要對(duì)目前主流智能手機(jī)充電方案做個(gè)詳細(xì)的介紹。

無(wú)源分立器件方案

分立器件充電方案主要是從功能機(jī)時(shí)代延續(xù)過(guò)來(lái)，如圖1為MTK平臺(tái)目前在功能機(jī)平臺(tái)以及低端智能手機(jī)平臺(tái)的主流充電方案。充電的控制全部靠主平臺(tái)來(lái)控制，通過(guò)兩路ADC檢測(cè)引腳ISENS/BATSNS之間0.2歐姆電阻的電壓差，內(nèi)部的邏輯電路會(huì)設(shè)置流過(guò)R1電阻的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池充電電流大小的控制，而且還通過(guò)7.5K電阻以及NMOS管隔離BB或者PMU直接面對(duì)VCHG充電器輸出的脈沖高壓沖擊，確保不會(huì)因?yàn)榱淤|(zhì)適配器輸出的高壓燒壞主芯片。

分立器件充電方案的優(yōu)勢(shì)是成本足夠便宜，劣勢(shì)就是充電電流比較少，目前市面主流的設(shè)置是500mA，而且充電的保護(hù)機(jī)制主要是靠平臺(tái)自身的軟硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。分立器件充電方案的優(yōu)缺點(diǎn)都比較明顯，但是在功能機(jī)時(shí)代，分立器件的優(yōu)勢(shì)得到極大發(fā)揚(yáng)，而充電電流比較少的劣勢(shì)在功能機(jī)時(shí)代并沒(méi)有給消費(fèi)者帶來(lái)太差的體驗(yàn)感。正因?yàn)檫@樣，分立器件充電這套方案成為了所有功能機(jī)平臺(tái)的主流充電方案。

但是隨著智能手機(jī)電池容量的不斷增大，分立器件充電電流較少的劣勢(shì)不斷顯現(xiàn)，因?yàn)槌杀镜目紤]，很多廠家想通過(guò)分立器件的方式來(lái)提升充電電流。但是分立器件由于散熱的太差很難實(shí)現(xiàn)較大電流充電，圖2 是圖1電路中大電流通路的三極管兩種封裝圖，從早期的SOT23-6封裝發(fā)展到為了支持更大電流充電的DFN2X2-8封裝，但是分立器件自身的結(jié)構(gòu)只能通過(guò)管腳對(duì)空氣散熱，限制了不管是哪種封裝都沒(méi)有辦法取得很好的散熱效果。類似的有源功率器件采用DFN、QFN封裝，看中的是可以利用封裝底部的散熱盤，這個(gè)散熱盤要有好的散熱效果必須接主板的大地，而無(wú)源的分立器件沒(méi)有辦法利用到散熱盤的這個(gè)有效散熱功能。

有源線性充電方案

在手機(jī)平臺(tái)還沒(méi)有高度集成化的時(shí)候，有源線性充電是手機(jī)充電的主流方案，后來(lái)隨著平臺(tái)的不斷集成化，BB把充電的控制邏輯集成在自身的PMU里面，從散熱方面考慮，把需要過(guò)大電流的管子放置在外面，從而延伸出了分立器件的充電方案。隨著智能手機(jī)的不斷普及，電池容量的不斷增大，對(duì)充電電流的要求不斷提升。上文描述的分立器件充電電流小、散熱差的問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，線性充電的集成方案有開(kāi)始陸續(xù)被一些更注重品質(zhì)的廠家采用。

有源線性充電的優(yōu)勢(shì)是：1、芯片集成較多的充電保護(hù)機(jī)制，這種保護(hù)機(jī)制隨著充電電流的不斷增大，越來(lái)越被工程師所關(guān)注，畢竟充電模塊會(huì)涉及到手機(jī)可靠性方面;2、散熱較好，有源的充電IC一般會(huì)采用帶散熱盤的DFN/QFN等封裝，芯片內(nèi)部的地會(huì)通過(guò)封裝的散熱盤接到主板的大地，非常有利于主板的散熱，不會(huì)出現(xiàn)手機(jī)主板某個(gè)局部區(qū)域溫度過(guò)高的情況。劣勢(shì)是：1、成本要比無(wú)源的分立器件方案高;2、充電電流最大支持到1A，電流再大，效率低導(dǎo)致的散熱問(wèn)題也會(huì)明顯顯現(xiàn)。

如圖3、圖4為上海艾為電子推出的AW3210支持MTK、展訊智能手機(jī)平臺(tái)1A充電的高性價(jià)比充電方案。AW3210除了線性充電常規(guī)的保護(hù)機(jī)制例如OVP、OCP、軟啟動(dòng)保護(hù)外，還專門針對(duì)大電流充電開(kāi)發(fā)的具有專利技術(shù)的K-charger，K-charger專利技術(shù)可以自動(dòng)根據(jù)芯片的溫度來(lái)調(diào)整充電電流的大小，避免因?yàn)槭褂弥杏捎谡`操作影響充電的可靠性。圖5為K-charger技術(shù)充電電流隨之芯片溫度變化的曲線示意圖。

開(kāi)關(guān)充電方案

前面兩種充電方式主要還是功能機(jī)以及低端智能手機(jī)的充電方式，文章的開(kāi)頭也介紹到智能手機(jī)的飛速發(fā)展，2013年的智能手機(jī)已經(jīng)升級(jí)到4核(甚至8核)、5寸/6寸的硬件規(guī)格，電池容量升級(jí)到了2000mAh甚至到4000mAh以上的配置，過(guò)長(zhǎng)的充電時(shí)間已經(jīng)嚴(yán)重的威脅到消費(fèi)者的體驗(yàn)。所以從去年年底開(kāi)始，主流的平臺(tái)廠家紛紛推出更大電流更高效率的充電方案，四核平臺(tái)MT6589參考設(shè)計(jì)就正式開(kāi)關(guān)充電方案作為四核平臺(tái)充電的標(biāo)準(zhǔn)方案。

開(kāi)關(guān)充電方案相對(duì)于線性充電方案最大的優(yōu)勢(shì)就是效率更高、發(fā)熱更小。上海艾為電子推出的支持1.5A的開(kāi)關(guān)充電AW3215最高的效率能夠達(dá)到88%左右，而線性充電的方案效率也就只能在70%左右。充電電流的不斷提升，效率差別導(dǎo)致的發(fā)熱就越來(lái)越突出。下表為某手機(jī)發(fā)燒網(wǎng)站專門發(fā)布的針對(duì)目前市面上主流手機(jī)做的發(fā)熱測(cè)試，能夠看到充電對(duì)手機(jī)的發(fā)熱能夠列入手機(jī)發(fā)熱源的前三。

圖6是上海艾為電子針對(duì)高端智能手機(jī)平臺(tái)推出的支持1.5A充電電流AW3215的典型應(yīng)用，考慮到國(guó)內(nèi)很多手機(jī)設(shè)計(jì)公司做的共板項(xiàng)目，同一個(gè)PCBA對(duì)應(yīng)很多不同類型的機(jī)器，AW3215內(nèi)置智能識(shí)別適配器輸出能力的功能，工程師只需要出廠前設(shè)置最大充電電流即可，無(wú)需還需要根據(jù)不同的適配器設(shè)置充電電流。AW3215通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)VBUS上的電壓，智能調(diào)節(jié)充電電流，使得同樣的一個(gè)硬件設(shè)置可以匹配市面任意的適配器，給PCBA廠家統(tǒng)一BOM提供了極大的方便。適配器智能檢測(cè)功能能夠最大程度地提高充電電流，也可以確保充電過(guò)程速度最快、安全性最高。

同時(shí)AW3215還提出了讓智能手機(jī)“一小時(shí)充好電”的口號(hào)，內(nèi)置S-charger的功能，工程師可以通過(guò)脈沖控制AW3215的CTRL引腳來(lái)設(shè)置充電恒壓截止的判斷閾值。早期經(jīng)典充電截至判斷標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)恒壓階段充電電流降低到恒流電流的10%，則充電完成。AW3215可以讓用戶通過(guò)軟件設(shè)置恒壓充電截至的判斷閾值，可以調(diào)整為90%～10%，當(dāng)充電達(dá)到軟件設(shè)置的閾值后，芯片會(huì)發(fā)中斷提示系統(tǒng)充電以完成，但是只要這個(gè)時(shí)候適配器沒(méi)有被用戶拔掉，AW3215還會(huì)繼續(xù)對(duì)電池充電，直到充電電流降低到恒流的10%才關(guān)斷充電通路。

筆者曾對(duì)三星note2做過(guò)充電實(shí)驗(yàn)，記錄了note2在手機(jī)界面提示充電結(jié)束后，再在關(guān)機(jī)屏滅充電的情況下監(jiān)控適配器的輸出電流(適配器用電源來(lái)代替)，下表記錄了note2整個(gè)的充電情況。很多人很奇怪note2這種充電的設(shè)置，眾所周知，3.7V的鋰電池當(dāng)電池電壓超過(guò)4.0V以上，電池的能量只有20%左右，但是就是這個(gè)20%不到的能量可能會(huì)占這種大電流充電時(shí)間的一半左右，所以在不影響電池應(yīng)用以及壽命的情況下，很多國(guó)際大廠類似三星、蘋果紛紛在顯示界面上做文章，讓消費(fèi)者不會(huì)因?yàn)殡姵厝萘窟^(guò)大抱怨充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，而且這種方案在消費(fèi)者允許手機(jī)長(zhǎng)時(shí)間充電的情況下，電池一樣能夠被充滿。ipad2這種現(xiàn)象也曾經(jīng)被發(fā)燒友測(cè)試出來(lái)，蘋果公司還專門發(fā)通知告知用戶不會(huì)對(duì)電池有任何的損壞。AW3215的S-charger功能就可以幫助手機(jī)設(shè)計(jì)工程師實(shí)現(xiàn)這種功能。

總結(jié)

總的來(lái)說(shuō)，隨著智能手機(jī)的不斷發(fā)展，手機(jī)的充電技術(shù)也必將不斷的進(jìn)步。本文中列舉的三種充電方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要手機(jī)設(shè)計(jì)工程師根據(jù)自身的項(xiàng)目情況來(lái)選擇。筆者在此也根據(jù)三種充電方案給出自己的建議：

一、 無(wú)源分立器件：功能機(jī)以及單核超低端智能手機(jī)的首選，畢竟成本才是第一位，而且CPU以及小尺寸的屏幕耗電還處于相對(duì)比較低，手機(jī)的電池容量也不會(huì)太大。

二、 有源線性充電：?jiǎn)魏烁叨藱C(jī)以及雙核低端機(jī)的首選，有源線性充電方案應(yīng)該算是三種充電方案中在性能以及價(jià)格比較折中的方案，也符合這些手機(jī)的市場(chǎng)定位。

三、 開(kāi)關(guān)充電方案：高端智能手機(jī)的首選，這些手機(jī)首選考慮的應(yīng)該是整機(jī)的效果以及消費(fèi)者的體驗(yàn)感，成本應(yīng)該放在第二位。開(kāi)關(guān)充電的高效率、低發(fā)熱量會(huì)是這些機(jī)器的首選方案。