基于雙電芯電池的智能手機(jī)快速充電技術(shù)和改進(jìn)

廖火生

（聯(lián)想 摩托羅拉移動(dòng)科技（廈門）有限公司，福建廈門，361000）

0 引言

進(jìn)入移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代，智能機(jī)已經(jīng)不單單是通訊的工具，它還是游戲機(jī)、社交助手、辦公設(shè)備，因此，可以說(shuō)手機(jī)是人們生活中不可或缺的一部分。據(jù)統(tǒng)計(jì)人們每天使用手機(jī)的時(shí)間超過(guò)5小時(shí)，而手機(jī)能夠被使用的最基本條件就是電池有電，這就造成了有限的電池電量和預(yù)期更長(zhǎng)的使用時(shí)間之間的矛盾。另外 ，隨著技術(shù)進(jìn)步智能手機(jī)的性能越來(lái)越強(qiáng)，耗電量也不斷的增加，但鋰電池技術(shù)進(jìn)步緩慢，造成鋰電池容量提升緩慢與智能手機(jī)功耗的大幅提升之間的矛盾。這些矛盾帶來(lái)了一種新的社會(huì)“病”—電量焦慮癥。因此，在鋰電池技術(shù)沒(méi)有突破的前提下，各大智能手機(jī)廠商不斷地升級(jí)手機(jī)的充電技術(shù)，用于解決這種電量焦慮癥。特別是近幾年快速充電技術(shù)進(jìn)行了多次快速迭代發(fā)展，在電荷泵和氮化鎵半導(dǎo)體充電器等技術(shù)的加持下，快速充電技術(shù)有了飛速進(jìn)步。目前市場(chǎng)上已經(jīng)量產(chǎn)商用的快充技術(shù)方案種類繁多，標(biāo)準(zhǔn)不一：按協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)分有高通的QC快充，聯(lián)發(fā)科的PE快充，還有 USB–IF 協(xié)會(huì)主推的 PD 快充；按充電功率分從20W至100W不等；按輸入電壓電流大小可以分成高壓低電流快充和低壓高電流快充；按電池分為單電芯和雙電芯[1]。

1 智能手機(jī)單電芯快速充電設(shè)計(jì)方案

市場(chǎng)上主流功率在20W至50W間智能手機(jī)產(chǎn)品的快充技術(shù)大部份采用單電芯電池，整個(gè)充電電路主要由USB連接器、開關(guān)型充電芯片、通用電源管理芯片PMIC、鋰電池、電量計(jì)等基本功能單元組成。對(duì)鋰電池的充電是需要特別小心的，因?yàn)殄e(cuò)誤的充電方法可以縮短電池壽命、對(duì)電池造成傷害，甚至可能造成安全問(wèn)題。鋰電池安全充電策略過(guò)程分三階段：

（1）涓流充電（也叫預(yù)充電)，這時(shí)候的電池電壓低于某個(gè)閾值，充電電流必須很小，預(yù)充后可以使電池進(jìn)入可以接受大電流充電的狀態(tài)。對(duì)于死電池，預(yù)充電還有解除電池保護(hù)電路的欠壓保護(hù)狀態(tài)的作用。

（2）恒流充電，這階段按照預(yù)先定義好的恒定大電流為電池持續(xù)充電，電池電壓逐漸上升，直到電池額定充電電壓。

（3）恒壓充電，當(dāng)電壓達(dá)到電池額定電壓的時(shí)候，充電就要從恒流切入恒壓，充電電流逐漸下降，電壓需要進(jìn)行精確的控制以避免對(duì)電池的過(guò)充和可能導(dǎo)致的危險(xiǎn)。

Type C接口成為了市場(chǎng)主流，特別是旗艦智能機(jī)的標(biāo)配。其最大的優(yōu)點(diǎn)是支持正、反轉(zhuǎn)盲插，有完全取代Micro B接口的趨勢(shì)。根據(jù)規(guī)范Type C接口支持USB3.0全功能，并兼容USB2.0。

智能手機(jī)使用的通用電源管理芯片PMIC，除集成電感型開關(guān)充電管理單元，通常還集成系統(tǒng)供電管理，開關(guān)機(jī)管理，Type C / PD控制器，馬達(dá)、背光驅(qū)動(dòng)用戶接口等。市場(chǎng)上 單顆PMIC功率通常限制在20W以下、功率轉(zhuǎn)換效率也較低（一般90%以下）。為了增大充電功率，提高功率轉(zhuǎn)換效率，加快充電速度，提升充電溫升體驗(yàn)，建議并聯(lián)一顆、或兩顆開關(guān)型專用充電芯片。開關(guān)型專用充電芯片有電感式和電容式兩種類型[2]。

（1）電感式充電芯片，跟通用PMIC的功率轉(zhuǎn)換效率接近，受效率限制，充電功率做到30W以上，發(fā)熱也比較嚴(yán)重，用戶體驗(yàn)欠佳，不作詳述。

（2）電容式充電芯片，又稱為電荷泵充電芯片。電荷泵電路利用飛電容把能量從輸入轉(zhuǎn)移到輸出，所以電荷泵電路只需要電容不需要電感。電荷泵工作原理[1]如圖1，推導(dǎo)如下：

圖1 電荷泵工作原理

電荷泵充電:Q1, Q3閉合，Q2, Q4打開，輸入電荷對(duì)飛電容Cfly充電，Cfly和電池串聯(lián)。

在吉老師的引領(lǐng)下，學(xué)生與文本進(jìn)行跨越時(shí)空的心靈對(duì)話，學(xué)生、文本、教師、編者四者之間的情感得到了交流和溝通，整個(gè)課堂也在心靈的對(duì)話和情感的交流中活力四射。

電荷泵放電:Q1, Q3打開，Q2, Q4閉合，飛電容電荷輸出對(duì)電池充電，Cfly和電池并聯(lián)。

得到：電荷泵輸入、輸出電壓2：1關(guān)系。相反地，輸入、輸出電流1：2關(guān)系。

電荷泵電路采用電容儲(chǔ)蓄能量，不同于電感充放電，電荷泵充放電效率達(dá)95%以上。因此，智能手機(jī)要做到30W以上充電功率，建議使用一或兩電荷泵充電芯片與通用PMIC并聯(lián)，在恒流階段使用電荷泵進(jìn)行大電流充電；而涓流充電和恒壓充電兩個(gè)階段關(guān)閉電荷泵，使用PMIC進(jìn)行小電流充電。為什么恒壓階段不繼續(xù)使用電荷泵充電呢？最重要的原因是這階段充電電壓需要進(jìn)行精確的控制，不能超過(guò)充電安全電池電壓，而電荷泵輸出電壓不及電感型輸出電壓穩(wěn)定。并且在恒壓階段，進(jìn)入電池的電流逐步減少，但電壓恒定，那么電荷泵的輸入電流逐步減少，充電導(dǎo)線的線損壓降減小，電荷泵輸入電壓降低，進(jìn)而導(dǎo)致電荷泵輸入、輸出電壓達(dá)不滿足2：1的關(guān)系，就得去調(diào)節(jié)充電器輸出電壓，但充電器輸出電壓調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)性達(dá)不到達(dá)到精確控制的安全要求。

當(dāng)前單電芯鋰電池的充電限制電壓在4.5V以下，安全電流也不被允許超過(guò)10A的，根據(jù)公式：功率 P = U（電壓）＊ I（電流），可以得出結(jié)論：常規(guī)單電芯電池的充電功率一般不會(huì)超過(guò)50W。雖然50W高功率基本可以達(dá)30分鐘充滿手機(jī)的速度，這個(gè)速度已經(jīng)夠快，但是要讓充電真的變成“無(wú)感”，還得更快。于是，100W功率雙電芯超快閃充技術(shù)橫空出世。

2 智能手機(jī)雙電芯快速充電設(shè)計(jì)及改進(jìn)方案

智能手機(jī)雙電芯串聯(lián)電池設(shè)計(jì)突破了單電芯電池的充電電壓限制，以雙倍電池電壓進(jìn)行充電，達(dá)到充電功率翻倍的目的。另外 ，從安全性來(lái)說(shuō)，由于只提高了充電電壓，充電電流仍然跟單電芯一樣。因此，雙電芯充電功率達(dá)到100W并可在20分鐘以內(nèi)充滿手機(jī)，仍保證了單電芯一樣的安全性。如圖2所示。

圖2 雙電芯快充及系統(tǒng)供電框圖

（1）串聯(lián)雙電芯使輸入電池的最大電壓為單電芯的兩倍：2＊VBAT。

（2）電荷泵(4：2)將輸入電壓由4倍單電池電壓降為2倍單電池電壓，用于恒流快充階段。

（3）電荷泵(2：1)將雙電池降壓為單電池電壓，通過(guò)PMIC給系統(tǒng)供電。升降壓芯片支持電池輸出供電通路的開關(guān)切換。

（4）升降壓開關(guān)充電芯片，負(fù)責(zé)100W充電的涓流充電和恒壓充電階段。同時(shí)通過(guò)降壓功能兼容50W以下快充；通過(guò)升壓功能兼容10W普通充電。

（5）通用電源管理芯片PMIC不提供電池充電功能。

雙電芯電池設(shè)計(jì)雖然在物理結(jié)構(gòu)上具備天生優(yōu)勢(shì)，使充電功率翻倍，但電池輸出給系統(tǒng)供電電壓也翻倍了，需增加降壓芯片進(jìn)行降壓以滿足系統(tǒng)供電需求，但這個(gè)“為了降低電壓而降低電壓”的措施不僅增加電能損耗，而且增加硬件成本。因此本文提出一種雙電芯改進(jìn)型設(shè)計(jì)方案，如圖3所示，雙電芯支持串聯(lián)和并聯(lián)兩種物理連接的動(dòng)態(tài)切換。

圖3 雙電芯充電及系統(tǒng)供電框圖

（1）當(dāng)且僅當(dāng)進(jìn)行百瓦級(jí)恒流充電時(shí)，雙電芯處于串聯(lián)狀態(tài)，電荷泵工作于4：2降壓模式，將充電輸入電壓降壓滿足串聯(lián)電池充電電壓2＊VBAT，而PMIC充電輸入端關(guān)閉不充電。

（2）當(dāng)百瓦級(jí)恒流充電完成后，雙電芯切換為并聯(lián)狀態(tài)，電荷泵工作于2：1降壓模式，與PMIC并聯(lián)完成后續(xù)階段的充電工作，無(wú)需升降壓充電芯片。

（3）當(dāng)用戶使用非百瓦級(jí)普通充電器，雙電芯切換為并聯(lián)狀態(tài)，電荷泵也工作于2：1降壓模式，與PMIC并聯(lián)完成普通快通所有充電策略過(guò)程，也無(wú)需升降壓充電芯片。

（4）系統(tǒng)供電PMIC都只取1＊VBAT電壓作為供電電源，無(wú)需降壓供電芯片。

3 結(jié)論

綜上所述，在現(xiàn)有快充技術(shù)如雨后春筍般出現(xiàn)的背景下，雙電芯快速充電改進(jìn)型設(shè)計(jì)方案在Moto折疊屏Razr項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，解決了電池技術(shù)進(jìn)步緩慢的問(wèn)題，它能夠在電池體積、容量、電壓、最大電流受限制的情況下提升智能機(jī)的充電速度，并且能夠保證手機(jī)的壽命不會(huì)受到影響，也從側(cè)面加快了物聯(lián)網(wǎng)在生活中的普及。該方案達(dá)到百瓦級(jí)充電功率的同時(shí)，不僅提高電了能使用效率、節(jié)約了硬件成本，而且保證充電安全性，必將加快智能手機(jī)百瓦級(jí)充電的普及速度。也在功能上給了用戶更好的使用體驗(yàn)。