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详解手机快充芯片的工作原理和设计要求

导读: 目前随着手机配备的锂离子电池容量越来越大,人们希望能够在尽量短的时间内给自己的手机充得足够的电量,以满足自己日常生活和工作的需要。例如,华为P9配备3000mAH小时的锂离子电池,如果期望在一小时内把电池接近充满,则需要充电电流在3A以上。

  目前随着手机配备的锂离子电池容量越来越大,人们希望能够在尽量短的时间内给自己的手机充得足够的电量,以满足自己日常生活和工作的需要。例如,华为P9配备3000mAH小时的锂离子电池,如果期望在一小时内把电池接近充满,则需要充电电流在3A以上。为了实现这么大电流的充电,使用开关式充电管理芯片(下面简称快充芯片)是一个很好的方案,这也是业界目前共同的选择。本文假设大家对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要求,同时也会简要介绍其他正在涌现的充电技术。

  一、手机的四个充电环节

  

  图1 手机的四个充电环节

  图1总结了我们在实际充电过程中涉及到的四个环节:

  1)充电适配器的任务是把220V的市电转换为手机能够承受的5V电压(现在应各种充电协议,如QC和USB PD(Type C接口)等的要求,也要求能够送出9V/12V/14.5V甚至20V的电压。关于充电协议的话题我们已在前面一篇公众号做过讨论),同时具有一定的功率输出能力,例如5V/2A, 9V/1A等等规格。充电适配器属于AC-DC的技术范畴,平常所说的快充芯片其实是对适配器AC-DC芯片和手机端的开关式充电管理芯片(以 DC-DC技术为实现手段)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,由于目前绝大多数充电线实际上就是USB线。这里有一个参数需要提请大家注意。按照USB2.0的标准,线缆需要具备传送最大1.8A的电流能力,因此如果是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,同时按照需要的充电电流精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,因此目前业界有能力提供高品质高可靠性的快充芯片的厂家十分有限,主要还是以德州仪器,仙童半导体等少数几家国外大厂为主,国内的希荻微电子经过几年坚持不懈的自主研发,已推出了一系列的快充芯片,打破了国外大厂的垄断局面,并已在各大手机方案商和品牌商得到广泛的应用。快充芯片具体的工作原理将在下文做详细讨论。

  4)电池是这个环节非常重要的部分,整个充电环节都是为了使电池快速而安全地充满电量。电池的主要参数包括:容量(mAH,手机中常见的有2000mAH, 3000mAH和4100mAH),充电截止电压(目前常见的有4.2V, 4.35V和4.4V规格,更高的充电截止电压,在同等的电池体积情况下,通常具有更高的电池容量,因此目前所谓的4.35V及以上的高压电池逐渐在手机上得到更广泛的应用),以及可接受的最大充电电流等等。其中,可接受的最大充电电流一般以nC来表示。例如一个3000mAH的电池,1C的充电速度是指一个小时之内即可充满电池,此时可接受的最大充电电流就是3A;如果允许2C的充电速度,那么理论上半小时就可以充满电池,则此时可接受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合适的快充芯片产生直接的影响。

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责任编辑:Alvin
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