用充電IC實現(xiàn)手機快速充電

摘要：本文介紹了手機快速充電IC的設計考慮，除了手機，還可應用于平板電腦、無人機等領域，并重點分析了TI公司MaxCharge實現(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

　　由智能手機電池的發(fā)展趨勢(圖1)可見，這兩年電池容量有所突變。據(jù)德州儀器(TI)電池管理產品(BMS)大中華區(qū)市場和應用部門經(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)航時間提升5%~8%左右。

2 傳統(tǒng)的充電設計觀念

　　現(xiàn)在第五代手機(尤其是Android手機)的電池容量能做到3000mAh，對整個系統(tǒng)構架帶來挑戰(zhàn)，用原來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2.5W，現(xiàn)在對智能機有點慢。很多標配的適配器是5V/1A，包括蘋果iPhone 5以前也是如此，這已算不錯，但也只有5W。對于Android手機，三星以前的Galaxy S4 2600 mAh應該是不夠的，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，包括國標在內的標準適配器是5V/1.5A，就是7.5W。但這對3000mAh的電芯還是不夠的。因為電池充電速度其實和電池大小沒關系。例如，當智能手環(huán)上的電池只有200mAh，是不是用一個輸出電流更大的適配器就能讓它充得更快?其實不然，因為電池充電是要符合電芯廠規(guī)定的最大許可C倍率的。200mAh產品，1C等于200mA，只要把容量拿出來，mAh的小時(h)拿掉，就是1C。通常比較安全的充電速率都是0.5C，但其實0.7C也是很安全的，而且大部分手機可以做到0.7C。所以，不管電池多大都用0.7C充電，其實充電時間是一樣的，很大的電芯用0.7C充電，3個多小時也能充滿，很小的電池也必須用3小時充滿，不能提高得更快。以上是以前的觀點。

3 快速充電的兩種途徑

　　現(xiàn)在問題來了，如果用3000mAh的電池，要用0.7C充的話，要用0.7×3000=2.1A。但2.1A已經(jīng)突破適配器的電流，因為常規(guī)的適配器是5V/1.5A，2.1A已經(jīng)突破極限了。所以3000mAh的Android手機的充電時間就會變慢，這是由于快充時，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個小時再縮短?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小時以上縮短到1小時或1.5小時，這是真正的提速和快充。

　　解決方案的一個關鍵是提高電流。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)一個瓶頸，充電線的粗細程度有一定的規(guī)范，普遍不能支持2A的電流，原因在于線的阻抗是固定的，電流再大，根據(jù)P=I2R，線阻的功率損耗較大，尤其轉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纜，有更小的阻抗。所以，電流增大是個途徑，但是必須付出一些代價。例如，去年OPPO推出的閃充，其線材、適配器都是特殊的，這是一種方法。

　　另一個方法是通過升壓的方式，這是目前關注度最高的。而且今年很多量產的手機新品會帶有快充，從1C到1.5C不等，國產廠商也一定會有這種方案。以下詳細介紹這種升壓方案。

　　升壓方案可以把適配器的5V電壓提升。之前市場已經(jīng)有類似的方案，只不過今天我們是從手機內部的Charger(充電)IC角度來看，當適配器能升到7V、9V、12V時，Charger IC怎樣應付這種情況。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，它的一個優(yōu)勢是能提升功率而不增加損耗，因為P=UI，在提升電壓的同時，功率隨之提高，但由于電流沒有改變，仍然在2A以下，線纜可以不用換，適配器接口也不用換。

4 手機主板上的快充IC

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

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

　　因此，MaxCharge芯片的好處，首先是能夠通過支持高輸入電壓支持快速的充電體驗。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，整個輸入端功率也會相應提升，輸出端是單節(jié)鋰電池(現(xiàn)在手機、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，平臺電壓一般是3.7V，如果計算，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。因為輸出的電池電壓是3.7V、3.8V平臺電壓，所以：7.5/3.7≈2A。