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摘要：本文介紹了手機(jī)快速充電IC的設(shè)計(jì)考慮，除了手機(jī)，還可應(yīng)用于平板電腦、無人機(jī)等領(lǐng)域，并重點(diǎn)分析了TI公司MaxCharge實(shí)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(jī)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(chǎn)品(BMS)大中華區(qū)市場和應(yīng)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(jī)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(shí)間提升5%~8%左右。 2 傳統(tǒng)的充電設(shè)計(jì)觀念 現(xiàn)在第五代手機(jī)(尤其是Android手機(jī))的電池容量能做到3000mAh，對整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)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(jì)2.5W，現(xiàn)在對智能機(jī)有點(diǎn)慢。很多標(biāo)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(cuò)，但也只有5W。對于Android手機(jī)，三星以前的Galaxy S4 2600 mAh應(yīng)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(biāo)在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)適配器是5V/1.5A，就是7.5W。但這對3000mAh的電芯還是不夠的。因?yàn)殡姵爻潆娝俣绕鋵?shí)和電池大小沒關(guān)系。例如，當(dāng)智能手環(huán)上的電池只有200mAh，是不是用一個(gè)輸出電流更大的適配器就能讓它充得更快?其實(shí)不然，因?yàn)殡姵爻潆娛且想娦緩S規(guī)定的最大許可C倍率的。200mAh產(chǎn)品，1C等于200mA，只要把容量拿出來，mAh的小時(shí)(h)拿掉，就是1C。通常比較安全的充電速率都是0.5C，但其實(shí)0.7C也是很安全的，而且大部分手機(jī)可以做到0.7C。所以，不管電池多大都用0.7C充電，其實(shí)充電時(shí)間是一樣的，很大的電芯用0.7C充電，3個(gè)多小時(shí)也能充滿，很小的電池也必須用3小時(shí)充滿，不能提高得更快。以上是以前的觀點(diǎn)。 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?yàn)槌Ｒ?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(jī)的充電時(shí)間就會變慢，這是由于快充時(shí)，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(gè)小時(shí)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(shí)以上縮短到1小時(shí)或1.5小時(shí)，這是真正的提速和快充。 解決方案的一個(gè)關(guān)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(gè)瓶頸，充電線的粗細(xì)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(zhuǎn)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(gè)途徑，但是必須付出一些代價(jià)。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(gè)方法是通過升壓的方式，這是目前關(guān)注度最高的。而且今年很多量產(chǎn)的手機(jī)新品會帶有快充，從1C到1.5C不等，國產(chǎn)廠商也一定會有這種方案。以下詳細(xì)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(jī)內(nèi)部的Charger(充電)IC角度來看，當(dāng)適配器能升到7V、9V、12V時(shí)，Charger IC怎樣應(yīng)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(gè)優(yōu)勢是能提升功率而不增加損耗，因?yàn)镻=UI，在提升電壓的同時(shí)，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(jī)主板上的快充IC USB線纜連接到手機(jī)上遇到的第一顆芯片叫Charger IC，是放在手機(jī)主板上的(圖2)。 TI的MaxCharge可以獨(dú)立識別并兼容普通5V以及更高電壓輸出的專有適配器。獨(dú)立識別的意思是，實(shí)際上識別高壓適配器有很多種方式，比如你可以通過AP(應(yīng)用處理器，即主芯片)。獨(dú)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(yàn)。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(gè)輸入端功率也會相應(yīng)提升，輸出端是單節(jié)鋰電池(現(xiàn)在手機(jī)、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(jì)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?yàn)檩敵龅碾姵仉妷菏?.7V、3.8V平臺電壓，所以：7.5/3.7≈2A。 假如今天是9V/1.5A，即已經(jīng)升壓了，9×1.5=13.5W，輸出端如果效率可以達(dá)100%，那么輸入端電流能夠提升。由此可見，在輸入電壓提升時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電。TI MaxCharge是業(yè)界第一款能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)支持5A充電電流和14V輸入電壓的芯片。 需要說明的是，輸入是從外部的適配器過來的，一般是5V。有些適配器可以有高壓輸出，但通常默認(rèn)是5V輸出，但通過握手協(xié)議之后，就會變成高壓。當(dāng)主板(包括AP和Charger IC)使能以后，允許輸出高壓它就可以輸出高壓了，所以這個(gè)高壓是適配器給出來的。 為何平臺電壓會有3.7V~3.0V變化?可以把電池想象成一瓶水(如圖2最右側(cè))，電流相當(dāng)于水管的粗細(xì)程度，變粗就更快了。水杯的高度是電壓，只不過水杯是中間粗、兩邊細(xì)的不規(guī)則形狀，因此開始充得很快，但中間區(qū)域內(nèi)呆的時(shí)間很長，很大的就是3.7V的平臺電壓。這時(shí)候電流如果變得大，注入時(shí)間就很快。所以此時(shí)快充的突破點(diǎn)是：為了快充，提高了電流。 TI的方案是經(jīng)MaxCharge轉(zhuǎn)換后電流變大。MaxCharge能支持5A充電電流，14V輸入電壓。5A是最大的標(biāo)稱值，通常使用時(shí)會考慮到各種情況，比如散熱和電池容量，所以3A~5A就可以做到這樣一種平均的輸入電流。 5 快充的效率 充電IC普遍效率是88%、89%，TI MaxCharge bq2589x系列可在3.5A提升到91%，這等于有2個(gè)百分點(diǎn)的提升。由于效率的提升，在TI的實(shí)測中，溫度上升得很低，室溫下，測試板上溫度僅僅上升18℃，以前要上升30多℃。 溫升直接決定了用戶體驗(yàn)。因?yàn)楝F(xiàn)在手機(jī)的適配器、主芯片、電池充電的溫升/散熱是很重要的技術(shù)瓶頸。所以很多設(shè)計(jì)體驗(yàn)，由于散熱不佳不得不采取折中辦法。 6 放電 今天的Charger IC設(shè)計(jì)，所有的MOS管都集成在里面，采用串聯(lián)電路，這樣充電時(shí)要經(jīng)過MOS管，但放電的時(shí)候會受到限制，放電時(shí)要通過一個(gè)MOS管(Q4)。 圖3是charger IC的主流架構(gòu)圖，左側(cè)是適配器的輸入端，通過電感電流流進(jìn)入，最后進(jìn)入右側(cè)大IC里再充電。現(xiàn)在用手機(jī)打電話時(shí)，放電過程一定要通過Q4元件，TI MaxCharge bq2589x的特色是，放電電流可以支持得很大，因?yàn)镼4的MOS管的阻抗值只有11mΩ(表1)，堪稱業(yè)界最低的阻抗。打電話進(jìn)來，主要是功放工作，因?yàn)槟阋褜SM信號時(shí)要把功率調(diào)得很大，接收塔才能接收到。因此電路這邊需要很大的瞬態(tài)電流(尖峰電流)。MaxCharge的Q4阻抗很小;如果是其他的設(shè)計(jì)方案，由于內(nèi)置Q4 MOS管的阻抗不夠小，它里面還要再加元件，增加了成本。 具體來看，圖3的電線是有阻抗的，其實(shí)IC里也有電阻，這些電阻會增加損耗。如果不計(jì)成本，這些阻抗越小越好(注：MOS管阻抗越小IC成本越高)。TI能在相應(yīng)成本之下把阻抗降到市場最低，這是MaxCharge最大的亮點(diǎn)。以前5V時(shí)，電池充電到3.7V~4V，5V、4V和3.7V差異很小，一個(gè)5V到右側(cè)3.7V實(shí)際差異不大，因此Q3導(dǎo)通的時(shí)間很短，這是切換電路：Q2-Q3，Q3-Q2兩個(gè)交替切換，實(shí)現(xiàn)能量高效率轉(zhuǎn)移。以前5V時(shí)，Q2的導(dǎo)通時(shí)間是最長的，所以Q2的阻抗要越低越好。 9V到14V差距很大，這要求Q2的導(dǎo)通時(shí)間要縮短，Q3的導(dǎo)通時(shí)間要加長，到了MaxCharge bq2589x，TI第一次把Q3阻抗降得比Q2還要低。Q3阻抗直接降到16mΩ(如表1)。這也是MaxCharge區(qū)別于競爭對手的很大差別，即Q3的阻抗直接讓MaxCharge的效率有顯著提高。 圖4是Q2和Q3的損耗，它的切換頻率是1.5V，屬高頻切換，這樣的波形一直切換下去進(jìn)行充電，它的占空比可以從此圖看出來。 那么，Q3的16mΩ是怎么實(shí)現(xiàn)的?如果看芯片的設(shè)計(jì)，芯片是在SiO2基板上面做的很多流程。一般MOS管在芯片里占的面積是最大的，眾所周知，面積越大電阻越小，電流是垂直穿過去的。要想實(shí)現(xiàn)16mΩ，必須要加大MOS管的面積，這樣成本也會相應(yīng)增加。關(guān)鍵在于MaxCharge bq2589x突破了很多設(shè)計(jì)限制，進(jìn)行了優(yōu)化(比如把數(shù)字部分縮小一點(diǎn))，使之與之前的芯片(bq2419x)管腳兼容。 在散熱方面，MaxCharge也有一些封裝講究：芯片采用QFN(四方扁平無引線)封裝，特點(diǎn)是QFN封裝下面有Power Pad(焊盤)。在bq2419x系列之前，手機(jī)上的Charger IC最初是集成在PMU里的，采用BGA或CSP封裝，等到不得不把Charge分出來的時(shí)候，Charger IC也為了節(jié)省空間，都用BGA封裝。BGA封裝，即把晶圓上切割下來的die(芯片)的反面Pad上裝上焊球，即die本身就是封裝，是最省空間的。MaxCharge之所以采用QFN封裝，主要考慮散熱，由于QFN封裝下面有Power pad，因此封裝比BGA大一些，需要焊接在整個(gè)電路板上，熱是分散的，不是濃縮在一點(diǎn)的。當(dāng)然，如果電池小的話，也沒有必要用大封裝快充，也就不需要QFN。 7 快充對電池的壽命影響 兩年前TI推出了MaxLife，是為了在快速充電情況下兼顧電池的充電壽命。對于任何一個(gè)電芯來說，只要用大電流之后一定會讓壽命減少。比如電芯本來有500個(gè)循環(huán)，用大電流之后，它就只有450個(gè)循環(huán)。今天的電池技術(shù)已經(jīng)能做到相當(dāng)多的循環(huán)次數(shù)，就算用1.5C充電，也能做幾百個(gè)Cycle(循環(huán))以上。 MaxLife實(shí)質(zhì)上是電量計(jì)，利用MaxLife技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控電芯老化特性，具體地，是用電量計(jì)控制Charge，Charge初始情況下設(shè)置1.5C，但發(fā)現(xiàn)電池老化很快的時(shí)候可能會把1.5C降下來。 但有些場合不需要MaxLife。例如大平板，平板4000、5000mAh的都有，即要用大電流，就算已經(jīng)到了3A還不會損壞電池的壽命，還小于0.7C，這樣的用戶沒必要用MaxLife技術(shù)。 8 快充適配器 目前的快充是統(tǒng)一的接口，能否快充取決于所用的適配器技術(shù)。市場上通用適配技術(shù)做不了快充，因?yàn)楣β氏拗啤＿m配器必須有升壓功能才行，即適配器必須有握手的條件。 9 無線充電可以快充嗎? 無線充電能夠做到快充，只不過是個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題。 無線充電的快充，首先一定是高壓快充(一定不會是5V的)，因?yàn)闊o線充電的效率要求更加嚴(yán)苛。因無線充電損耗要比有線充電大一些，因此整個(gè)線圈損耗要降低，輸出要想降低，無線輸出電壓一點(diǎn)要高過5V才能做到更高效的充電。TI去年年末推出了10W的無線充電——今天最好的適配器也就10W而已。現(xiàn)在iPad2、3也就是5V/1A的充電。 10 IR補(bǔ)償 高充電電流將在充電路徑寄生電阻和內(nèi)部電池阻抗上引起電壓降。較高的阻抗將導(dǎo)致充電過早地進(jìn)入了恒定電壓模式，從而使得充電時(shí)間延長。IR補(bǔ)償把充電器端子電壓增至高于電池調(diào)節(jié)電壓(高出的幅度為I x R 壓降)，以使充電器能夠在恒定電流模式中停留足夠長的時(shí)間，由此實(shí)現(xiàn)快速充電。 具體如圖5所示，整個(gè)曲線包含的面積單位是mA×h(時(shí)間)，即電池的容量，如果電池電壓剛開始掉下來時(shí)就停止充電，那么電池容量就很小，其實(shí)還有一小半的容量沒有充滿。所以，業(yè)界經(jīng)常談?wù)摰?0%、30%的問題，就是花70%的時(shí)間充30%的電量，原因是進(jìn)入到了恒壓區(qū);花30%的時(shí)間充70%的電量指的是在恒流區(qū)，橫流區(qū)面積很大。最后想真正充滿還是需要時(shí)間的。除了提升電流之外，綠色線(細(xì)線)比紅色線充得更快，這是由于MaxCharge使用IR補(bǔ)償技術(shù)，讓電池充電過程更多處于大電流恒流區(qū)，縮短它的充電時(shí)間，所以恒壓區(qū)就縮短了。僅通過這一項(xiàng)技術(shù)，就能實(shí)現(xiàn)17%的時(shí)間縮短。 究其原因，理想情況下電流是大電容的，用恒流的話，充到4.2V就可以停止了，因?yàn)橐呀?jīng)充飽了，這是電容的充電。電池是電容+電阻的等效電路，由于電池里內(nèi)阻的存在，并且電阻在外部也有，所以，充電就不是理想的過程，可以看到既有恒流區(qū)又有恒壓區(qū)，IR補(bǔ)償?shù)娜蝿?wù)是延長恒壓區(qū)，減少恒流區(qū)。 11 電池部門的人員組成 電池部門也是研發(fā)人員聚集的重地。以TI公司為例，其BMS部門由七八十名電池專家組成，其中包含化學(xué)家和芯片設(shè)計(jì)人員，他們擁有鋰電池管理、充電創(chuàng)新的經(jīng)驗(yàn)。(注：本文主要根據(jù)TI公司BMS部的文思華博士的講演整理，未經(jīng)講演者確認(rèn)。) 參考文獻(xiàn)： [1]王國輝.無線充電技術(shù)及其特殊應(yīng)用前景[J].電子產(chǎn)品世界,2014(7):21 [2]李健.充電技術(shù)：停不下“充電”的步伐[J].電子產(chǎn)品世界,2012(9):24 [3]Maniraj S.便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品中的鋰電池保護(hù)[J].電子產(chǎn)品世界,2014(9):56 [4]Racherla K.電池管理系統(tǒng)的溫度測量[J].電子產(chǎn)品世界,2012(8):43 [5]Shi Z.無線充電器技術(shù)和解決方案[J].電子產(chǎn)品世界,2013(11):43 |
