用充电IC实现手机快速充电

摘要：本文介绍了手机快速充电IC的设计考虑，除了手机，还可应用于平板电脑、无人机等领域，并重点分析了TI公司MaxCharge实现快充的方法。电芯如果采用快充电芯，MaxCharge的bq25892芯片可以做到1.5C电流，34分钟可以从0%充到80%。

1 电池容量迅速提升

由智能手机电池的发展趋势(图1)可见，这两年电池容量有所突变。据德州仪器(TI)电池管理产品(BMS)大中华区市场和应用部门经理文司华介绍，电池容量的突变并不在于电池密度是否有显著提高，而在于手机的屏幕变大了，所以电池容量、电池空间增大。另外，电池电压也在不断提高，原来都是4.2V电池，现在变成4.35V，今年有厂家在做4.4V电芯。电压提高的原因是：电芯每增加0.1V，能让电池续航时间提升5%~8%左右。



2 传统的充电设计观念

现在第五代手机(尤其是Android手机)的电池容量能做到3000mAh，对整个系统构架带来挑战，用原来的适配器去充电已经落伍了，以前的适配器，USB 2.0是5V输出，0.5A电流，合计2.5W，现在对智能机有点慢。很多标配的适配器是5V/1A，包括苹果iPhone 5以前也是如此，这已算不错，但也只有5W。对于Android手机，三星以前的Galaxy S4 2600 mAh应该是不够的，S4充电电流是1.5A以上，适配器从5W一直在往上升，真正的BC 1.2(Battery Charging 1.2)协议，包括国标在内的标准适配器是5V/1.5A，就是7.5W。但这对3000mAh的电芯还是不够的。因为电池充电速度其实和电池大小没关系。例如，当智能手环上的电池只有200mAh，是不是用一个输出电流更大的适配器就能让它充得更快?其实不然，因为电池充电是要符合电芯厂规定的最大许可C倍率的。200mAh产品，1C等于200mA，只要把容量拿出来，mAh的小时(h)拿掉，就是1C。通常比较安全的充电速率都是0.5C，但其实0.7C也是很安全的，而且大部分手机可以做到0.7C。所以，不管电池多大都用0.7C充电，其实充电时间是一样的，很大的电芯用0.7C充电，3个多小时也能充满，很小的电池也必须用3小时充满，不能提高得更快。以上是以前的观点。



3 快速充电的两种途径

现在问题来了，如果用3000mAh的电池，要用0.7C充的话，要用0.7×3000=2.1A。但2.1A已经突破适配器的电流，因为常规的适配器是5V/1.5A，2.1A已经突破极限了。所以3000mAh的Android手机的充电时间就会变慢，这是由于快充时，一方面现在的适配器都不能够支持正常的大电量充电，因此充电速率变慢了;另一方面怎样把3个小时再缩短?例如，希望用10分钟把20%的电量充到80%?需要把常规的3.5小时以上缩短到1小时或1.5小时，这是真正的提速和快充。

解决方案的一个关键是提高电流。由于传统的USB输出功率受限，输出电压只有5V，所以出现一个瓶颈，充电线的粗细程度有一定的规范，普遍不能支持2A的电流，原因在于线的阻抗是固定的，电流再大，根据P=I2R，线阻的功率损耗较大，尤其转接头上也有一定的接触电阻，因此有些厂家的方案是配备特殊的线缆，有更小的阻抗。所以，电流增大是个途径，但是必须付出一些代价。例如，去年OPPO推出的闪充，其线材、适配器都是特殊的，这是一种方法。

另一个方法是通过升压的方式，这是目前关注度最高的。而且今年很多量产的手机新品会带有快充，从1C到1.5C不等，国产厂商也一定会有这种方案。以下详细介绍这种升压方案。

升压方案可以把适配器的5V电压提升。之前市场已经有类似的方案，只不过今天我们是从手机内部的Charger(充电)IC角度来看，当适配器能升到7V、9V、12V时，Charger IC怎样应付这种情况。例如，TI的MaxCharge bq2589x是第一款高压输入(最大正常工作电压14V)大电流(5A)充电芯片，它的一个优势是能提升功率而不增加损耗，因为P=UI，在提升电压的同时，功率随之提高，但由于电流没有改变，仍然在2A以下，线缆可以不用换，适配器接口也不用换。



4 手机主板上的快充IC

USB线缆连接到手机上遇到的第一颗芯片叫Charger IC，是放在手机主板上的(图2)。

TI的MaxCharge可以独立识别并兼容普通5V以及更高电压输出的专有适配器。独立识别的意思是，实际上识别高压适配器有很多种方式，比如你可以通过AP(应用处理器，即主芯片)。独立的意思，Charger IC作为主板门户IC能够不需要任何其他芯片的介入，自己就能够识别是5V适配器还是更高电压的适配器。原因是支持D+/D-信号以及VBUS电流脉冲两种适配器的握手信号。


因此，MaxCharge芯片的好处，首先是能够通过支持高输入电压支持快速的充电体验。我们可以把充电IC想象成黑盒子，输入端的功率和输出端功率中间有9%~10%效率损耗，输入端如果电压提升的话，整个输入端功率也会相应提升，输出端是单节锂电池(现在手机、平板大都是单节锂电池，3.7V左右)的电压是固定的，3V~4.2V~4.3V，平台电压一般是3.7V，如果计算，例如输入端功率是7.5W，5V/1A的适配器，假如100%的效率，输出端的电流约是2A。因为输出的电池电压是3.7V、3.8V平台电压，所以：7.5/3.7≈2A。                                
               
假如今天是9V/1.5A，即已经升压了，9×1.5=13.5W，输出端如果效率可以达100%，那么输入端电流能够提升。由此可见，在输入电压提升时能够实现快速充电。TI MaxCharge是业界第一款能够同时实现支持5A充电电流和14V输入电压的芯片。

需要说明的是，输入是从外部的适配器过来的，一般是5V。有些适配器可以有高压输出，但通常默认是5V输出，但通过握手协议之后，就会变成高压。当主板(包括AP和Charger IC)使能以后，允许输出高压它就可以输出高压了，所以这个高压是适配器给出来的。



为何平台电压会有3.7V~3.0V变化?可以把电池想象成一瓶水(如图2最右侧)，电流相当于水管的粗细程度，变粗就更快了。水杯的高度是电压，只不过水杯是中间粗、两边细的不规则形状，因此开始充得很快，但中间区域内呆的时间很长，很大的就是3.7V的平台电压。这时候电流如果变得大，注入时间就很快。所以此时快充的突破点是：为了快充，提高了电流。

TI的方案是经MaxCharge转换后电流变大。MaxCharge能支持5A充电电流，14V输入电压。5A是最大的标称值，通常使用时会考虑到各种情况，比如散热和电池容量，所以3A~5A就可以做到这样一种平均的输入电流。