針對智能手機的快速充電方案

前言
早期有一個蘋果產(chǎn)生了地球萬有引力，現(xiàn)在有一個蘋果加速了智能機時代的到來。從去年開始，各大主流基帶廠家MTK、高通、博通、marvell、STE等紛紛推出了智能機方案，在2G時代feature phone趨于飽和，并且競爭越來越激烈的同時，各大手機公司紛紛押寶智能機，希望能夠搶得先機?？上У氖怯捎谥悄軝C時代還沒有哪家公司能夠提供像 feature phone時代MTK的tunekey，加上軟件驅動人員的嚴重急缺。智能機成了高投入，回報周期很長的一項投資，使得能夠在智能機有所斬獲的只能是向華為、中興等大公司，國內(nèi)專注PCBA的IDH在智能機有大批量的量產(chǎn)且正在賺到錢的的也就少之又少。

據(jù)isuppli統(tǒng)計表明，雖然智能手機在近兩年的增長極為驚人，但在全球仍然有70%以上的用戶使用的是功能手機，在中國，這一比例則在85%左右。加上國內(nèi)IDH在智能機研發(fā)道路上遇到的諸多挑戰(zhàn)，手機芯片巨頭聯(lián)發(fā)科也與近期表示，他們相信大多數(shù)用戶仍喜歡價格相對便宜的功能手機，因此功能手機市場仍有廣闊的發(fā)展空間。最近，聯(lián)發(fā)科將推出“類智能手機”，讓功能手機也能像智能機一樣疊加豐富應用。這種類智能機將可支持包括用戶接口、上網(wǎng)、大屏全觸控，通過這些功能的實現(xiàn)，使得類智能機可以通過網(wǎng)絡下載軟件，讓功能機也能像智能手機一樣的不斷擴充個性化的應用。

與智能機一樣，隨著類智能機功能的不斷強大，電池的續(xù)航能力將會成為其中的一個死角。現(xiàn)實生活中我們可能經(jīng)常會看到我們周邊的朋友隨聲帶兩個手機，一臺專門用來打電話，一臺用來娛樂。因為無論你的手機屏幕有多大，性能配置有多高，電池沒電了一切都是浮云。特別在印度等第三世界國家還有很多地方充電也是個問題，2007年印度一家付費電話公司 Micromax的高管注意到了一個新奇的景象。他們發(fā)現(xiàn)，在印度東部的一個村莊，人們在一個身后有輛自行車的人面前排起了長龍，這人的自行車上綁著一臺車用蓄電池，大家交給他幾個盧比后，就可以把自己的手機插上去充電半小時。這些村民的家里沒有電。

為了解決電池續(xù)航的能力，早期的 feature phone廠家類似像長虹、phillip紛紛研制了大容量電池手機，或者采用艾為雙電池單芯片解決方案AW3312的雙電池手機。但是這兩種應用都對手機的結構提出了較高的要求，為了解決電池的問題，從事手機行業(yè)的工程師想出了曲線救國的方式-“快速充電”來解決類智能機時代的電池問題。

手機實現(xiàn)充電三要素
手機上要實現(xiàn)快充功能需要滿足三要素，三者缺一不可。充電器、電池、charge IC。充電器需要滿足足夠的輸出電流以及輸出電壓，因為充電器的走線有很大的寄生電阻，如果要實現(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快充的電流來簡單計算的話，充電器的輸出電阻需要在6.5V左右。

目前手機使用的電池都是鋰離子電池，在手機工作時，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，一般來說，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。

結合鋰電池的實際情況，一般手機的工作設置為當鋰離子電池放電到一定程度時，會通過軟件設置為不能通話或者強行關機。深度放電對鋰離子電池的壽命會造成不可逆轉的損傷，因此關機電壓一般設置為3.5V左右。從電池的能量分布以及手機使用的實際情況來看，影響充電時間最大的是在恒流充電階段的充電電流，目前主流手機設置的充電電流為450mA左右。如果想實現(xiàn)快速的充電，最切實可行的方法就是提高恒流的充電時間。鋰電池的最佳充電速率為1C，這意味著一個 1000 mAh的電池組要以1000mA的電流進行快速充電，以這種速率充電可以實現(xiàn)最短的充電時間，而且不會降低電池組的性能及縮短使用壽命。對于容量不斷增加的電池，欲達到這種滿意的充電速率，提高充電電流值是不可避免的。

本文以MT6235的充電為例。手機充電分涓流、恒流、恒壓充電，當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。

上海艾為電子專門針對MT6235/36平臺推出的AW3208在增加OVP功能的同時，提供了智能充電功能，以滿足快速充電的功能。如圖2所示，AW3208內(nèi)置專有的K-ChargeTM技術，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充電系統(tǒng)的安全。使得手機在實現(xiàn)快速充電的時候不會因為由于環(huán)境溫度較高或者充電電流過大導致芯片進入過溫保護使得充電沒法正常進行。圖3為在MT6235上的典型應用圖。

AW3208除了集成的K-Charge技術，由于AW3208采用的是DFN2X2-8L的封裝，在芯片的底部有很大的一個散熱片，相對于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測試demo，飛線到MT6235整機做實際充電測試，在 ACIN=5.25，VBAT=3.3V（采用安捷倫電源），手機充電設置為800mA，充電時間持續(xù)4小時，板子溫度符合上海某大型IDH標準（溫度不超過室溫15度）。

注1：GATDRV上外接1uF電容，確保激活過放電池
注2：1KΩ確保無需調(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充電時還是按原先插充電器的快充模式，可能會因為USB接口沒法提供快充這么大的電流導致充電失敗。針對這種快充的應用，目前的建議解決方法是需要修改充電的軟件流程，在軟件檢測到VCHG電壓的時候，先不要打開充電模塊，執(zhí)行檢測是否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
AW3208不但可以支持國內(nèi)充電器實現(xiàn)快速充電，同時由于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的快充充電。高電壓帶來的必然是高功耗，為了確保AW3208能夠實現(xiàn)最大且最可靠的充電電流，請確保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
不管是類智能機還是智能機時代，電池的續(xù)航能力已經(jīng)成為了制約手機從普通的通話、短信功能機往大屏、游戲等功能一體的智能機發(fā)展最大的瓶頸?；陬愔悄軝C推出的AW3208快充方案也只能算是一個折中的方案。如何解決好電池的續(xù)航能力已經(jīng)成為了整個手機產(chǎn)業(yè)鏈都在研究的課題。電池廠家響應國家綠色環(huán)保的概念，也開始推出太陽能手機電池。手機IC的廠家為了降低IC功耗，也在不斷的升級工藝制層以及設計能力，推出超低功耗產(chǎn)品。