详解手机快充芯片的工作原理和设计要求

第三阶段：恒压充电。电池是一个十分娇气的储能元件，它的电池电压不允许超过截止电压的±50mV，否则就会有安全隐患。因此，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"不要超出范围，直至把电池完全充满。

　　图2 三段式充电示意图

　　一个合格的快充芯片，必须能够根据电池电压的高低，自动地控制充电过程在上述三个阶段之间进行无缝切换，而无需其他硬件或者软件的帮助。

　　三、电源路径管理功能

　　电池的目的是要给电子设备例如手机供电，如果电池没电了，自然手机也就无法工作了，所以这个时候必须要插上充电器充电。我们来看看几种不同的快充芯片在使用上的体验有何不同。

　　图3 不带电源路径管理功能的快充芯片工作示意图

　　图3是国内厂商推出的第一代快充芯片，请注意红圈所指的位置。此处，既是电池正极所在之处，也是由这一点向手机系统供电。那么我们很容易想到：当电池电压很低的情况下，即便插入了充电器，即快充芯片已经在对电池进行充电了，但由于此时电池电压很低，不足以开启系统，因此手机是无法启动的。只有当电池电压已经被充到足够高之后，手机才能正常工作。

　　我们自然会问，有没有一种办法，只要我们插入了充电器，即便电池电压很低，也可以启动手机呢？办法是有的，只要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断，就可以达到这个目的。业界把这个功能称为电源路径管理，这个功能也是第二代快充芯片的标志性特点之一。

　　图4 带电源路径管理功能的快充芯片工作示意图

　　图4中，给系统供电的SYS引脚和给电池充电的BAT引脚就是两个独立的引脚，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况下，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，以保证SYS的电压足以支持后级系统的工作；当电池电压足够高之后，这个智能开关才完全开启，相当于一根电阻很小的导线把SYS和BAT短接在一起，以最大程度降低其间的功耗。

　　四、高电压工作

　　现在的电池容量越来越大，因此在充电的时候，其需要的功率是很大的。例如，一个3000mAH的电池，若以3A对其充电，以3.8V电池电压计算，其接受的功率是11.4W，假设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。根据前面分析的充电的四个环节，此时对线缆的要求就来了：如果快充芯片是工作在5V，那就意味着线上的电流是2.5A左右，这不仅超出了现有的USB2.0线缆的传送能力，并且这么大的电流会在线缆上造成较大的功率损失。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！为了解决这个问题，我们可以像生活中常见的高压输电线一样，提高传送的电压，线上的电流和功耗也就自然降下来了。还是刚才的例子，若传送的电压换成9V，那么线上的电流就只有1.4A左右，因此现有的USB2.0线缆就足够用了（节省成本！），线上的功耗也仅有0.5W。相应地，快充芯片也需要在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要求。

　　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，个人用户不仅要求充电快速安全，同时更喜欢发热较低的手机。为了实现这个目标，对快充芯片的要求自然就是高转换效率。当然除此之外，还需要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，也应对散热措施多加考虑等等。可喜的是，国产厂家充分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，如图5所示。

　　图5 快充芯片的转换效率曲线

　　六、充电参数的可配置性

　　正如前面对电池的分析，由于不同的电池可以接受的电流能力不同，其充电截止电压也不一样，这要求快充芯片能够根据不同的电池，通过软件配置不同的充电参数，以提高快充芯片的通用性。通常，快充芯片是通过I2C接口来完成这些配置。其他需要配置的常见参数还有：

　　输入电压限压阈值；

　　输入电流限流阈值；

　　充电截止电流；

　　芯片的工作模式控制。

　　七、耐压和抗浪涌能力设计

　　在手机里面，快充芯片是USB/Type C接口进来看见的第一颗芯片。充电线的反复插拔会带来很高的毛刺电压，这需要快充芯片具有良好的耐压能力；在USB2.0的应用下，需要快充芯片具有20V以上的耐压能力。更具威胁的是电网通过适配器传送过来的浪涌电压，尤其是在像印度这样电网十分不稳定的地区，其浪涌电压会高达300V以上，这要求快充芯片在加上保护器件（例如TVS）的情况下能安全工作而不会被损坏。