|
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展趨勢(圖1)可見，這兩年電池容量有所突變。據德州儀器(TI)電池管理產品(BMS)大中華區市場和應用部門經理文司華介紹，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，能讓電池續航時間提升5%~8%左右。 2 傳統的充電設計觀念 現在第五代手機(尤其是Android手機)的電池容量能做到3000mAh，對整個系統構架帶來挑戰，用原來的適配器去充電已經落伍了，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已經突破適配器的電流，因為常規的適配器是5V/1.5A，2.1A已經突破極限了。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。由于傳統的USB輸出功率受限，輸出電壓只有5V，所以出現一個瓶頸，充電線的粗細程度有一定的規范，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，輸出端是單節鋰電池(現在手機、平板大都是單節鋰電池，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。 假如今天是9V/1.5A，即已經升壓了，9×1.5=13.5W，輸出端如果效率可以達100%，那么輸入端電流能夠提升。由此可見，在輸入電壓提升時能夠實現快速充電。TI MaxCharge是業界第一款能夠同時實現支持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，但通常默認是5V輸出，但通過握手協議之后，就會變成高壓。當主板(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)，電流相當于水管的粗細程度，變粗就更快了。水杯的高度是電壓，只不過水杯是中間粗、兩邊細的不規則形狀，因此開始充得很快，但中間區域內呆的時間很長，很大的就是3.7V的平臺電壓。這時候電流如果變得大，注入時間就很快。所以此時快充的突破點是：為了快充，提高了電流。 TI的方案是經MaxCharge轉換后電流變大。MaxCharge能支持5A充電電流，14V輸入電壓。5A是最大的標稱值，通常使用時會考慮到各種情況，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個百分點的提升。由于效率的提升，在TI的實測中，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。因為現在手機的適配器、主芯片、電池充電的溫升/散熱是很重要的技術瓶頸。所以很多設計體驗，由于散熱不佳不得不采取折中辦法。 6 放電 今天的Charger IC設計，所有的MOS管都集成在里面，采用串聯電路，這樣充電時要經過MOS管，但放電的時候會受到限制，放電時要通過一個MOS管(Q4)。 圖3是charger IC的主流架構圖，左側是適配器的輸入端，通過電感電流流進入，最后進入右側大IC里再充電。現在用手機打電話時，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，因為Q4的MOS管的阻抗值只有11mΩ(表1)，堪稱業界最低的阻抗。打電話進來，主要是功放工作，因為你要搜尋GSM信號時要把功率調得很大，接收塔才能接收到。因此電路這邊需要很大的瞬態電流(尖峰電流)。MaxCharge的Q4阻抗很小;如果是其他的設計方案，由于內置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IC里也有電阻，這些電阻會增加損耗。如果不計成本，這些阻抗越小越好(注：MOS管阻抗越小IC成本越高)。TI能在相應成本之下把阻抗降到市場最低，這是MaxCharge最大的亮點。以前5V時，電池充電到3.7V~4V，5V、4V和3.7V差異很小，一個5V到右側3.7V實際差異不大，因此Q3導通的時間很短，這是切換電路：Q2-Q3，Q3-Q2兩個交替切換，實現能量高效率轉移。以前5V時，Q2的導通時間是最長的，所以Q2的阻抗要越低越好。 9V到14V差距很大，這要求Q2的導通時間要縮短，Q3的導通時間要加長，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是怎么實現的?如果看芯片的設計，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。要想實現16mΩ，必須要加大MOS管的面積，這樣成本也會相應增加。關鍵在于MaxCharge bq2589x突破了很多設計限制，進行了優化(比如把數字部分縮小一點)，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，特點是QFN封裝下面有Power Pad(焊盤)。在bq2419x系列之前，手機上的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分出來的時候，Charger IC也為了節省空間，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，需要焊接在整個電路板上，熱是分散的，不是濃縮在一點的。當然，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個循環，用大電流之后，它就只有450個循環。今天的電池技術已經能做到相當多的循環次數，就算用1.5C充電，也能做幾百個Cycle(循環)以上。 MaxLife實質上是電量計，利用MaxLife技術實時監控電芯老化特性，具體地，是用電量計控制Charge，Charge初始情況下設置1.5C，但發現電池老化很快的時候可能會把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。 8 快充適配器 目前的快充是統一的接口，能否快充取決于所用的適配器技術。市場上通用適配技術做不了快充，因為功率限制。適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，只不過是個系統設計問題。 無線充電的快充，首先一定是高壓快充(一定不會是5V的)，因為無線充電的效率要求更加嚴苛。因無線充電損耗要比有線充電大一些，因此整個線圈損耗要降低，輸出要想降低，無線輸出電壓一點要高過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。現在iPad2、3也就是5V/1A的充電。 10 IR補償 高充電電流將在充電路徑寄生電阻和內部電池阻抗上引起電壓降。較高的阻抗將導致充電過早地進入了恒定電壓模式，從而使得充電時間延長。IR補償把充電器端子電壓增至高于電池調節電壓(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間，由此實現快速充電。 具體如圖5所示，整個曲線包含的面積單位是mA×h(時間)，即電池的容量，如果電池電壓剛開始掉下來時就停止充電，那么電池容量就很小，其實還有一小半的容量沒有充滿。所以，業界經常談論的70%、30%的問題，就是花70%的時間充30%的電量，原因是進入到了恒壓區;花30%的時間充70%的電量指的是在恒流區，橫流區面積很大。最后想真正充滿還是需要時間的。除了提升電流之外，綠色線(細線)比紅色線充得更快，這是由于MaxCharge使用IR補償技術，讓電池充電過程更多處于大電流恒流區，縮短它的充電時間，所以恒壓區就縮短了。僅通過這一項技術，就能實現17%的時間縮短。 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，因為已經充飽了，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又有恒壓區，IR補償的任務是延長恒壓區，減少恒流區。 11 電池部門的人員組成 電池部門也是研發人員聚集的重地。以TI公司為例，其BMS部門由七八十名電池專家組成，其中包含化學家和芯片設計人員，他們擁有鋰電池管理、充電創新的經驗。(注：本文主要根據TI公司BMS部的文思華博士的講演整理，未經講演者確認。) 參考文獻： [1]王國輝.無線充電技術及其特殊應用前景[J].電子產品世界,2014(7):21 [2]李健.充電技術：停不下“充電”的步伐[J].電子產品世界,2012(9):24 [3]Maniraj S.便攜式消費電子產品中的鋰電池保護[J].電子產品世界,2014(9):56 [4]Racherla K.電池管理系統的溫度測量[J].電子產品世界,2012(8):43 [5]Shi Z.無線充電器技術和解決方案[J].電子產品世界,2013(11):43 |
