基于電池內(nèi)置方案在手機(jī)應(yīng)用中設(shè)計(jì)

吳旭

（上海銳嘉科科技集團(tuán) 上?！?01315）

基于電池內(nèi)置方案在手機(jī)應(yīng)用中設(shè)計(jì)

吳旭

（上海銳嘉科科技集團(tuán) 上海201315）

為了實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)置在手機(jī)設(shè)計(jì)中的需求，通過電池特性和參數(shù)介紹，結(jié)合電池自身特性和整機(jī)電路功耗計(jì)算，給出手機(jī)出廠時(shí)電池電量合理的保有量。根據(jù)手機(jī)充電電路原理的介紹，尤其是不同電路設(shè)計(jì)對電池內(nèi)置方案帶來影響和用戶體現(xiàn)，軟件部分需要的一些相應(yīng)配置方案。實(shí)際應(yīng)用表明，此設(shè)計(jì)探討方案具有良好的使用價(jià)值和用戶體現(xiàn)效果，達(dá)到電池內(nèi)置方案在手機(jī)中設(shè)計(jì)要求。

電池；內(nèi)置；充電；過放；激活

當(dāng)年當(dāng)蘋果手機(jī)呈現(xiàn)在世人面前時(shí)，它的不可換電池設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)了所有人的傳統(tǒng)習(xí)慣，被無數(shù)用戶所不理解。但最終，大家也逐漸開始接受這樣的設(shè)計(jì)方式。目前市場上很多手機(jī)逐漸采用電池內(nèi)置不可拆卸方案，比如以擁有卓越外觀、專業(yè)級(jí)音質(zhì)，極致影響和愉悅體現(xiàn)著稱的Vivo智能產(chǎn)品，多以采用電池內(nèi)置方案為主。手機(jī)內(nèi)置電池不僅保證了手機(jī)的完整性，同時(shí)還提高了產(chǎn)品的美化詮釋，將電池塞進(jìn)機(jī)身當(dāng)中確實(shí)有多方面的好處，比如在超薄設(shè)計(jì)成為手機(jī)造型的未來大趨勢下，不可更換電池方案將大大節(jié)省機(jī)身體積，不需要將電池呈現(xiàn)在外方便用戶插拔，也不需要留出電池與后蓋之間的空間，這些空間將被直接壓縮——讓用戶擁有尺寸上更加纖薄的手機(jī)。但是一旦出現(xiàn)電池?fù)p壞或無法充電等異常，會(huì)直接帶來更高的維修成本代價(jià)或直接影響用戶使用。

1　電池參數(shù)選擇

1.1電池參數(shù)

鋰離子電池目前有液態(tài)鋰離子電池（LIB）和聚合物鋰離子電池（PLB）兩類。其中，液態(tài)鋰離子電池是指Li+嵌入化合物為正、負(fù)極的二次電池。正極采用鋰化合物-鈷酸鋰、錳酸鋰，負(fù)極采用鋰-碳層間化合物。鋰離子電池由于工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、能量高、無記憶效應(yīng)、無污染、自放電小、循環(huán)壽命長，是21世紀(jì)發(fā)展的理想能源載體。

1992年Sony成功開發(fā)出鋰離子電池。它的實(shí)用化，使人們的移動(dòng)電話、筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備重量和體積大大減小，使用時(shí)間大大延長。由于鋰離子電池中不含有重金屬鎘，與鎳鎘電池相比，大大減少了對環(huán)境的污染。合理的鋰離子電池選擇，對便攜式電子設(shè)備發(fā)揮性能提到至關(guān)重要的作用［1］。

表1　電池技術(shù)參數(shù)

在選擇電池過程中，我們應(yīng)該關(guān)注哪些參數(shù)？主要是如下5點(diǎn)參數(shù)：

1）電池容量，通常采用mAh（毫安時(shí)）表示，1 630 mAh就是能在1 630 mA的電流下放電1小時(shí)，同時(shí)電池的體積越大、越厚，電池的容量越高。與電池容量相關(guān)的一個(gè)參數(shù)是充電電流，充電電流通常用充電速率C表示，C為電池的額定容量。例如，用2 000 mA的電流對1 000 mAh電池容量充電，充電速率就是2C。

2）標(biāo)稱電壓，電池剛出廠時(shí)，正負(fù)極之間的電勢差稱為電池的標(biāo)稱電壓。標(biāo)稱電壓由極板材料的電極電位和內(nèi)部電解液的濃度決定。當(dāng)環(huán)境溫度、使用時(shí)間和工作狀態(tài)變化時(shí)，單元電池的輸出電壓稍微變化。手機(jī)正常標(biāo)稱電壓為3.7 V，高壓電池為3.8 V或更高。相同型號(hào)電池合理設(shè)計(jì)下，4.3 V容量比4.2 V容量提升約5-6%，4.35 V容量比4.2 V容量提升約7～8%。

3）電池內(nèi)阻，鋰離子電池的內(nèi)阻是指電池在工作時(shí)，電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力。電子內(nèi)阻大，會(huì)產(chǎn)生大量焦耳熱引起電池溫度升高，導(dǎo)致電池放電工作電壓降低，放電時(shí)間縮短，對電池性能、壽命等造成嚴(yán)重影響。如果按照電池內(nèi)阻150 mΩ，當(dāng)流經(jīng)2 A的電流時(shí)，這樣U=V*I=0.3 V，會(huì)導(dǎo)致電池輸出電壓偏低等隱患。

4）充電終止電壓，當(dāng)鋰電池充電電壓高于4.2 V后，會(huì)開始產(chǎn)生副作用。過沖電壓越高，危險(xiǎn)性也跟著越高。因此，鋰電池充電時(shí)，一定要設(shè)定電壓上限，才可以同時(shí)兼顧到電池的壽命、容量和安全性，最理想的充電電壓上限為4.2 V。

5）放電終止電壓，鋰電子放電時(shí)也需要有電壓下限，當(dāng)電芯電壓低于2.4 V時(shí)，部分材料開始破壞。又由于電池會(huì)自放電，放越久電壓會(huì)越低，因此放電時(shí)最好不要放到2.4 V才停止。鋰電池從3.0 V放電至2.4 V這段期間，所釋放的能量只占電池容量的3%左右。因此，3.0 V是一個(gè)理想的放電截止電壓。充放電時(shí)，除了電壓的限制，電流的限制也有其必要性。

1.2電池保護(hù)板參數(shù)

成品鋰電池組成主要有兩大部分，鋰電池電芯和保護(hù)板，鋰電池電芯由正極板、隔膜、負(fù)極板、電解液等組成。正極板、隔膜、負(fù)極板纏繞或?qū)盈B，包裝，灌注電解液，封裝后即成電芯。鋰電池保護(hù)板，顧名思義就是保護(hù)鋰電池用的，鋰電池保護(hù)板的作用是保護(hù)電池不過放、不過充、不過流，還有就是輸出短路保護(hù)［2］。

對保護(hù)板需要關(guān)注的參數(shù)如下：

1）ISYS，System Max loading，需要根據(jù)手機(jī)平臺(tái)要求。比如3G手機(jī)平臺(tái)大于4 A；4G手機(jī)平臺(tái)要求大于5.5 A；

2）ICC，System Charger CC max current，正常為2±5%A，具體根據(jù)項(xiàng)目充電電流要求；

3）VDL，Over-discharge Detection Voltage，以Anatel測試要求為例，推薦為2.5 V；

圖1　電池保護(hù)芯片連接圖

表2　電池保護(hù)板引腳定義

4）VODR，Over-discharge release voltage，不同IC參數(shù)不同，從2.3～3.0 V不等；

5）OCDT，Over-current Delay time，MTK平臺(tái)推薦 OC （Over current）的時(shí)間為10 ms。

有些保護(hù)IC具有向0 V電池充電功能，即對被連接的電池因自身放電，電壓變?yōu)? V時(shí)進(jìn)行充電的功能。也有被完全放電后不推薦再度充電的鋰離子電池，這是由鋰離子電池的特性決定，所以當(dāng)決定向0 V電池充電允許或禁止時(shí)，需要與電池廠商確認(rèn)詳細(xì)情況。

2　出廠時(shí)電池電量設(shè)置

移動(dòng)終端從工廠出廠到消費(fèi)者手中往往需要一定時(shí)間，比如2個(gè)月或者更長時(shí)間（國內(nèi)生產(chǎn)國外銷售或國外生產(chǎn)國內(nèi)銷售等）。為了滿足到消費(fèi)者手中，電池不會(huì)出現(xiàn)過放保護(hù)一旦接入電源可以及時(shí)充起電池或開機(jī)。如下以手機(jī)出廠時(shí)保持電量50～55%為例：

關(guān)機(jī)漏電流120 μA，放置兩個(gè)月，損耗電量為：0.12 mA *24H*60=172.8 mAh。

同時(shí)，電池本身存在自耗電，約一天為1 mV，放置兩個(gè)月，損耗即為：0.06 V。

以2 500 mAh電池容量為理論計(jì)算：

要使得電量保持在50%～55%，即剩余電量為2 500 mAh *50%～55%=1250～1375mAh，根據(jù)電池的ZCV（Zero Current Voltage）放電曲線可知，電壓點(diǎn)為：3.74～3.76 V。

在此基礎(chǔ)上，再與以上損耗掉的進(jìn)行向上累加，1250～1375 mAh加上172.8 mAh，則為1 422～1 547 mAh，此電壓點(diǎn)為：3.77～3.80 V。

再加上0.06 V電芯的自耗電，即為：3.83～3.86 V。

因此，根據(jù)以上理論計(jì)算，而一般電池出廠時(shí)的電壓為3.92～3.98 V，本身可以滿足出貨需求。但是在生產(chǎn)組裝和測試環(huán)節(jié)，本身會(huì)耗一部分電池電量，尤其在功能測試階段耗電量較大。這樣就需要在工廠生產(chǎn)線增加工序做再充電操作（備注：以上充放電計(jì)算按照ZCV放電曲線所得，與其他計(jì)算方式可能存在一定偏差）。

采用出廠時(shí)提高手機(jī)電池電量，電池可以維護(hù)較長的時(shí)間。根據(jù)手機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)由整機(jī)漏電流與電池自耗電兩部分組成，F(xiàn)airchild或Will半導(dǎo)體公司開發(fā)出可配置負(fù)載開關(guān)和復(fù)位定時(shí)器芯片 （Configurable Reset Timer with Integrated Load Switch）。采用此芯片手機(jī)在出廠前可關(guān)斷該芯片輸出，此時(shí)這個(gè)系統(tǒng)的漏電流僅為0.2 μA（芯片本身），最大也僅為1 μA，極大的延長電池待機(jī)時(shí)間，手機(jī)出廠3～4個(gè)月后不會(huì)出現(xiàn)過放的情況。終端用戶按開關(guān)機(jī)按鍵或充電器插入，可以打開芯片內(nèi)部Mosfet進(jìn)入正常的應(yīng)用場景。

3　充電電路分析和介紹

當(dāng)便攜式設(shè)備長久不用或者工廠出貨至終端消費(fèi)者周期交期，仍然會(huì)面臨電池電量逐漸耗盡使得電池進(jìn)入過放保護(hù)狀態(tài)。此狀態(tài)是無法避免或者回避，當(dāng)電池可拆卸，尤其是功能機(jī)時(shí)代，通常采用外部電源來激活進(jìn)行再次充電使用。但對內(nèi)置電池方案，由于電池固定在整機(jī)內(nèi)部不可拆卸，此時(shí)就需要充電方式來激活或者把電池充起。

不同設(shè)備的充電電路區(qū)別很大，例如有的采用硬件充電芯片去控制整個(gè)充電過程；有的手機(jī)采用分立元件，用軟件控制充電流程。有些平臺(tái)芯片內(nèi)部集成充電功能電路，有些平臺(tái)考慮溫升和效率等方面，需要外部專門充電電路，PMIC（電源管理芯片）作為充電檢測等。不管這些實(shí)現(xiàn)方案是如何構(gòu)建，其實(shí)狀態(tài)控制控制過程都是基于負(fù)反饋原理。

下面基于MT6582手機(jī)平臺(tái)，充電過程如圖2所示［3］。

圖2　便攜式手機(jī)設(shè)備充電圖示

3.1線性充電電路設(shè)計(jì)

在MTK（臺(tái)灣聯(lián)發(fā)科）平臺(tái)方案中，具有DDLO（Deep discharge lockout）功能。當(dāng)電池電壓低于2.5V，PMIC進(jìn)入深度放電鎖止功能，此時(shí)VRTC的LDO被關(guān)閉。否則，VRTC將要從電池吸取電量，此DDLO功能可以防止電池進(jìn)一步放電或者對電芯產(chǎn)生損壞［3］。

1）預(yù)充電模式

當(dāng)電池電壓處于UVLO（Under-voltage lockout）階段，當(dāng)充電器插入時(shí)進(jìn)入預(yù)充電模式。此模式下可以分成兩個(gè)階段：

當(dāng)電池電壓低于2.2 V（深度放電），以70 mA/550 ms脈沖小電流來對電池充電；

當(dāng)電池電壓高于2.2 V，例如Pre-CC1階段，此時(shí)采用閉環(huán)預(yù)充電模式，通過保持RSENSE上電壓電位差為60 mV （AC充電）或14 mV（USB host），可以計(jì)算出閉環(huán)預(yù)充電電流大?。?/p>

當(dāng)RSENSE=0.2 Ω，可以計(jì)算出此階段充電電流為70 mA 或300 mA，直至電池電壓升至3.3 V為止。假如電池過放，為了保護(hù)電池充電，采取涓流充電（IUNIT）和兩個(gè)專用定時(shí)器來保護(hù)充電行為（BC1.1 Dead-Battery Support）。

如果電池電壓總是低于2.7 V，一個(gè)5分鐘的定時(shí)器結(jié)束和停止充電；

如果電池電壓保持在2.7～3.3 V之間，另一個(gè)35分鐘定時(shí)器結(jié)束和停止充電行為。

2）恒流（Constant current）模式

此階段通過PMIC內(nèi)部的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，保證 （ISENSEBATSNS）電壓恒定。此時(shí)充電電流為：

3）恒壓（Constant voltage）模式

此階段通過PMIC內(nèi)部的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，保證BATSNS電壓恒定。

在恒流階段的前半段，VBAT較低，VBUS與VBAT壓差較大。BJT或mos管和RSENSE電阻上發(fā)熱大，軟件控制充9秒停1秒，停一秒為了散熱。因此，就有了“pulse charge”的名稱。

由于線性充電方式具有成本低、設(shè)計(jì)簡單優(yōu)點(diǎn)但發(fā)熱量大，效率偏低，充電電流較小等缺點(diǎn)，在一些高端產(chǎn)品中逐漸采用開關(guān)充電模式來增強(qiáng)用戶體現(xiàn)效果。

3.2開關(guān)充電電路設(shè)計(jì)

以 BQ2415x系列芯片作為開關(guān)充電方式（switching charge）為例［4］：

CBOOT主要是來當(dāng)作charge pump（電荷泵）使用的，由下面方框圖4可以看出Q2為NMOS管，N-MOS要導(dǎo)通需要Vgs>Vth，但是目前N-MOS放在high side（高電位），Vgs無法大于Vth。所以需要使用CBOOT當(dāng)Charge pump，將電壓升壓大于Vbus+Vth，才能打開Q2。由于一般電容的誤差相對較大，10 nF的電容可能部分不能使N-MOS導(dǎo)通導(dǎo)致無法充電。因此可以更改為33 nF電容加大電荷，以避免電容偏小導(dǎo)致升壓不足隱患。

以BQ25153A/8芯片OTG控制腳介紹：

圖3　BQ2415x系列典型應(yīng)用電路圖

圖4　BQ2415x功能模塊框圖（充電模式）

此對帶OTG（On-The-Go）功能的項(xiàng)目尤其關(guān)鍵，USB OTG功能可以采用GPIO或I2C來控制。當(dāng)OTG Pin為高電平時(shí)，通過I2C解除限流前限流為500 mA；當(dāng)OTG Pin為低電平時(shí)，通過I2C解除限流前限流為100 mA，預(yù)充電電流小加上15分鐘定時(shí)模式，存在不能滿足下載程序電流要求或無法激活電池隱患。因此，OTG功能盡量采用I2C控制，此OTG通過10 kΩ電阻上拉至VREF，保持高電平。

針對此芯片硬件自身因素決定，一些公司逐漸考慮采取軟件方式來避免此問題。測試發(fā)現(xiàn)在預(yù)充電階段充電IC輸出3.54 V時(shí)，軟件Preloader是可以運(yùn)行，在Preloader里可以通過I2C把IC的輸出電壓調(diào)高，此時(shí)就能激活電池。有些switching charge IC在3.5 V激活脈沖后不能繼續(xù)輸出電壓，這種情況就無法采取此方案（比如BQ24153/BQ23156）。

BQ24158/9系列在軟件設(shè)置前默認(rèn)輸出為3.54 V電壓（15分鐘模式階段），電池過放保護(hù)后圖1中的DO的mos管關(guān)閉，CO的mos管打開。鋰電池過放激活條件是3.54*0.99> MAX_VODR+Vdiode，因此對保護(hù)板需要重點(diǎn)關(guān)注如下參數(shù)［5］：

3.54*0.99>MAX_VODR+Vdiode（最糟糕情況為0.7 V），需要Over-discharge release voltage（VODR）<2.8 V。如果選擇電池的VODR>2.8 V，就存在可能沖起不來或者無法激活異常。

3.3路徑管理充電電路設(shè)計(jì)

根據(jù)線性與開關(guān)充電電路介紹，通過電池參數(shù)合理選擇、預(yù)充電電流提高或軟件優(yōu)化方案等來解決電池過放激活問題。當(dāng)電池過放后插入充電器，仍然需要5-8分鐘的時(shí)間才能喚醒系統(tǒng)，直接帶來錯(cuò)覺是手機(jī)存在不能充電故障。更糟糕的是，此時(shí)你恰好需要使用此設(shè)備。帶路徑管理充電方案通過把充電電流分成充電部分與系統(tǒng)部分，這樣就較好的解決此問題。以 NCP185x系列帶路徑管理 （power path management）充電方案具有如下特征和功效［6,7］：

1）自動(dòng)輸入限流器（AICL）

→NCP185x采用符合100 mA、500 mA、900 mA或1.5 A USB充電規(guī)范的輸入電流限制器；

→應(yīng)用自動(dòng)檢測模式在最大充電電流時(shí)調(diào)整，使其適應(yīng)輸入源能力，并縮短總體充電時(shí)間。

2）充電結(jié)束時(shí)自動(dòng)斷開電池連接（優(yōu)化電池總體壽命）→許多便攜系統(tǒng)的電池壽命在使用幾個(gè)月后就受到影響，因?yàn)殡姵乇怀掷m(xù)充電，充電結(jié)束后仍恢復(fù)充電；

→NCP185x系列在充電結(jié)束時(shí)自動(dòng)斷開電池連接，僅在出現(xiàn)峰值電流活動(dòng)（如使用數(shù)據(jù)流量或GSM通話）時(shí)重新連接極短時(shí)間。

圖5　NCP1851路徑管理充電方案電流流向

3）插入充電線纜時(shí)即時(shí)導(dǎo)通便攜設(shè)備

→即使是最新設(shè)備通常也要求約5分鐘左右的初始充電，然后才允許系統(tǒng)啟動(dòng)及被使用。不利的是，當(dāng)你連接便攜設(shè)備來充電時(shí)，你這時(shí)通常也需要使用它！

→NCP1851以及其NCP185x相關(guān)系列應(yīng)用了插入線纜時(shí)即時(shí)導(dǎo)通系統(tǒng)的技術(shù)，一邊安全給電池充電，一邊單獨(dú)為系統(tǒng)供電。

4）支援USB“On The Go”（OTG）

→NCP815x系列應(yīng)用反向升壓轉(zhuǎn)換器來提供5 V、500 mA輸出以支持USB OTG功能；

5）獨(dú)特的正向以及負(fù)向過壓保護(hù)（OVP），

→保護(hù)便攜設(shè)備免受過壓損傷，NCP185x提供+28V過壓保護(hù)（OVP）

6）電池溫度檢測（完全可編程，符合JEITA規(guī)范）、充電配置及狀態(tài)報(bào)告機(jī)制

①恒流模式

ISYS變化→IBAT是變量

②恒壓模式

ISYS變化→ICHG是變量

對帶路徑管理功能充電方案，ISENSE和BATSNS需要量測電壓。在此之外，BATSNS還有電壓UVLO（Under-voltage lockout）檢測的功能。

BATSNS需要接到給系統(tǒng)直接供電的電源（非電池端），讓PMU通過BATSNS檢測外部電壓以作為開關(guān)機(jī)條件判斷（主要是UVLO）；

ISENSE需要接到電池連接器，此不是為了量測電流，而是讓PMU的ADC讀取電池電壓信息，作為fuel gauge（電池電量計(jì)）的計(jì)算。

理論上帶有Power path功能，在電池不在位或者電池電壓比較低時(shí)也能夠開機(jī)。如果擔(dān)心IBUS供電能力不足，軟件可以默認(rèn)關(guān)閉此功能。

4　結(jié)論

電池是手機(jī)一個(gè)重要的功能器件，內(nèi)置電池是手機(jī)一個(gè)新的潮流和市場差異化賣點(diǎn)。在帶來整機(jī)更加美觀和產(chǎn)品性能同時(shí)，一旦設(shè)計(jì)時(shí)考慮不周全，就可能出現(xiàn)手機(jī)供電、充電功能或者性能故障，直接影響到用戶使用。本文在電池和保護(hù)板參數(shù)選型、常用的充電電路介紹基礎(chǔ)上，根據(jù)手機(jī)平臺(tái)特性和充電激活檢測原理機(jī)制。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，給出需要重點(diǎn)關(guān)注的硬件相關(guān)設(shè)計(jì)方案和建議。實(shí)際表明，該探討方案在實(shí)際中具有良好的參考價(jià)值和使用效果，可以避免一些因設(shè)計(jì)或者選型不合理帶來充電故障和供電隱患。

［1］張輝.N90鋰離子手機(jī)電池規(guī)格書［C］.寧波維科電子股份有限公司，2012.

［2］Seiko Instruments Inc.S-8261系列1接電池用電池保護(hù)IC ［C］.精工電子有限公司，2012.

［3］ShangYingChung.MT6322_PMIC_Datasheet_V0.1［M］.MediaTek,.2013：32-34

［4］Texas Instruments.BQ241531/156A/158/159 datasheet［M］.USA: Texas Instruments,2012.

［5］Johnson Yang.Battery Selection Guide_V1.4.Mediatek［M］.2014：2-4.

［6］Onsemi semiconductor.NCP1851 datasheet［M］.USA:Onsemisemiconductor,2014.

［7］Onsemi.用于智能手機(jī)、平板電腦等便攜設(shè)備的NCP185x系列新開關(guān)電池充電方案 ［EB/OL］.［2014-04-08］.http:// www.docin.com/p-569562401.html

The application design in the mobile phone based on battery built-in solution

WU Xu
（Ragentek Technology Group of Shanghai，Shanghai 201315,China）

In order to satisfy the requirement of the battery built-in solution design in mobile phone,with the battery characteristics and parameters introduced,combined with the battery characteristics and the whole circuit power consumption calculated,and give the reasonable battery volume of factory setting.According to the principle of mobile phone charging circuit,especially different hardware charge solution impact the battery built-in solution,so software need some corresponding configuration scheme.Actual application show that this design solution has good performance and the user reflect effect, achieve the design requirement in mobile phone.

battery；built-in；charge；over-discharge；active

TN929.53

A

1674－6236（2016）13-0143-05

2015-08-02稿件編號(hào)：201508003

吳 旭（1977—），男，上海人，碩士。研究方向：信號(hào)與信息處理，移動(dòng)終端硬件設(shè)計(jì)。