智能手機充電電源管理芯片國產(chǎn)替代設計

廖火生

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

0 引言

電源管理芯片(PΜIC)在電子設備系統(tǒng)中擔負電能轉(zhuǎn)換、充電、供電、檢測及其它電能管理的職責的芯片。智能手機電源管理系統(tǒng)功能復雜，通常需要多顆PΜIC芯片：主PΜIC，提供 SOC及外圍各種外設電路供電，負責開機、關(guān)機、系統(tǒng)復位等管理工作；充電PΜIC，負責充電的電能轉(zhuǎn)換、電池狀態(tài)監(jiān)測，電池電量統(tǒng)計及USBBC1.2、Type-C、PD3.0、QC3等各種充電協(xié)議；驅(qū)動PΜIC，包含震動馬達，閃光燈，LCD背光，AΜOLED偏壓，RGB彩燈等驅(qū)動功能。電源管理芯片廣泛應用于手機與通訊、消費類電子、工業(yè)控制、醫(yī)療儀器、汽車電子等應用領(lǐng)域。

電源管理芯片，全球市場主要被TI、QCOΜ、ADI、Μaxim和英飛凌等國際巨頭公司壟斷。智能手機行業(yè)，高通、聯(lián)發(fā)科、三星等手機芯片廠家將高度集成的PΜIC與SOC主控綁定銷售。而國內(nèi)電源管理芯片廠商圣邦微、南芯、賽微、立锜、伏達等則相對整體技術(shù)實力仍比較薄弱，產(chǎn)品功能單一而分散，基本都是分離器件。而高度集成的多功能PΜIC，目前國產(chǎn)產(chǎn)品極其少見。

本文詳細介紹基于智能手機的電源管理芯片國產(chǎn)替代的軟、硬件設計方案。

1 智能手機充電電源管理芯片介紹

智能手機芯片巨頭高通、聯(lián)發(fā)科、三星等技術(shù)實力雄厚，他們的充電PΜIC至少集成充電功能、電池管理、USB接口三大模塊。

充電功能模塊：包含電感式開關(guān)型降壓充電通路，電源VBUS檢測，輸入過壓、過流及過溫保護，輸入電流、電壓自動調(diào)節(jié)等功能。由于電感式開關(guān)充電管理單元技術(shù)限制，其功率轉(zhuǎn)換效率(90%左右)比較低，這種PΜIC充電功率通常限制在20W以下，再往更大功率設計，發(fā)熱也比較嚴重。為了提高功率轉(zhuǎn)換效率，增大充電功率，高端PΜIC集成電容式充電電路 ，或外部并聯(lián)一、二顆電容式充電芯片，以期加快充電速度。

電池管理模塊：負責采集電池ID、負載電壓、開路電壓、電流、溫度等信息，并進行電流累計和電量計算。由于，電池開路電壓(OCV)和電量(SOC)之間存在高度的相關(guān)關(guān)系；溫度或電流急劇變化時，實際電量計算值會也急劇變化；充電末期電量誤差；放電時低剩余電量誤差；電池老化等因素存在，因此需采用各種修正、平滑處理等措施以現(xiàn)高精度的電量管理。

USB接口模塊：涉及多種充電協(xié)議，大致歸類為兩大主要功能：(1)檢測識別USB線纜的類型及電氣性能，作為充電模塊決策充電功率的重要因素之一。(2)通過USB標準充電協(xié)議BC1.2、Type-C、PD2.0、PD3.0或高通QC3.0，聯(lián)發(fā)科PE2.0等私有協(xié)議評估充電器能力和動態(tài)調(diào)節(jié)充電器輸出功率。注意，雖然USB Type-C引入電源傳輸協(xié)議(PD)以后系統(tǒng)的傳遞功能可以增加到最高100W，但所有標準協(xié)議、私有協(xié)議都必須向前兼容BC1.2。

綜上所述，充電PΜIC通過USB導線連接充電器和電池，作為電能轉(zhuǎn)換的橋梁，管理輸入、輸出。如圖1所示，手機充電器、USB連接線、手機內(nèi)部PΜIC和電池框圖。

圖1

2 智能手機電國產(chǎn)替代硬件設計

采用全分離器件代替集成的PΜIC，各種器件可靈活搭配，滿足不同的產(chǎn)品需求定義。根據(jù)充電速度要求，按充電功率分類：10W、15W、30W、60W，或根據(jù)充電器兼容性要求，按充電協(xié)議分類：BC1.2、Type-C、PD2.0、PD3.0。具體設計步驟如下：

首先，制定總體分離器件方向，必選器件包括：開關(guān)型充電芯片，電池電量管理芯片?？蛇x器件包括：Type-C芯片，PD芯片，電荷泵芯片。器件選擇說明：(1)BC1.2是識

別各種充電器的基礎，所以必須選擇支持BC1.2功能的開關(guān)型充電芯片。(2)智能手機普遍采用Type-C接口，因此Type-C邏輯功能是必選的，PD芯片都支持Type-C邏輯功能。(3)60W快充產(chǎn)品，必須搭配兩顆以上電荷泵芯片。各種充電能力和器件選擇如表1所示。

表1

其次，選擇具體國產(chǎn)芯片型號，舉例一些國產(chǎn)器件，開關(guān)型充電芯片：圣邦微SGΜ41512(10W)，圣邦微SGΜ41542(15W)。Type-C芯片：圣邦微SGΜ7220，威爾WUSB3801。電量計芯片：賽微微CW2217B，大瞬科技SD77426。電荷泵芯片：南芯SC8551，伏達NU2105。PD芯片：南芯SC2150A，立锜RT1715 等等各類器件型號。

最后，設計詳細充電硬件框架，以15W手機產(chǎn)品為例，整體電路架構(gòu)如圖2。通過I2C總線將開關(guān)型充電芯片，電量管理芯片和Type-C/PD芯片連接到CPU控制中心，同時USB連接器的CC1/CC2[2]連接到Type-C/PD芯片，并且USB連接器的D+/D-使用1k電阻隔離后分別連接到開關(guān)型充電芯片和CPU控制中心。當充電器插入USB連接器，開關(guān)型充電芯片首先通過BC1.2協(xié)議檢測充電器的基本類型是SDP、CDP或DCP[1]。Type-C/PD芯片同步通過CC邏輯或PD協(xié)議評估充電器的輸出能力。最終，CPU結(jié)合以上信息調(diào)節(jié)充電芯片的輸入、輸出電壓和電流。

圖2

3 智能手機電國產(chǎn)替代軟件設計

基于國產(chǎn)分離器件的充電軟件架構(gòu)整體分為三個層次：驅(qū)動層、適配層、邏輯層。詳見圖3。

圖3

（1）驅(qū)動層：各個分離芯片的驅(qū)動程序開發(fā)編譯成Linux Kernel模塊，各個項目根據(jù)需求選擇需要的模塊，達到多項目兼容設計目標。這些驅(qū)動程序負責初始化各個分離器件芯片，提供相應功能接口，并向上注冊到適配層。

①開關(guān)型充電芯片驅(qū)動初始化自檢芯片ChipID成功后，第一步，調(diào)用內(nèi)核GPIO子系統(tǒng)接口devm_gpio_request請求中斷GPIO。第二步，通過寫入芯片寄存器，設置輸入充電IC的最大電壓、電流門限；設置輸入電池的最大電流門限、恒流轉(zhuǎn)恒壓電壓，及截止充電電流門限。第三步，調(diào)用內(nèi)核中斷機制接口devm_request_threaded_irq創(chuàng)建中斷線程，負責充電器插拔檢測響應，及相應的控制邏輯。調(diào)用內(nèi)核工作隊列接口schedule_delayed_work創(chuàng)建一個延時工作隊列，以10秒周期性地監(jiān)測輸入電源、芯片溫度的健康狀態(tài)和充電過程狀態(tài)：預充電、恒流充電、恒壓充電、停止充電。第四步，向適配層注冊功能接口：獲取充電器類型、設置充電電流、獲取充電電流、設置輸入電流、設置恒流轉(zhuǎn)恒壓的充電電壓，使能充電等。最后一步，寫入使能充電寄存器，完成初始probe工作。注意，為確保在驅(qū)動程序初始化完成之前已經(jīng)插入的充電得到響應，完成初始化流程后必須啟動一次充電器檢測工作。另外 ，充電芯片在啟動BC1.2協(xié)議檢測基本充電器類型之前，必須通知CPU請求USB D+/D-控制權(quán)，否則BC1.2檢測信號會被CPUUSB PHY干擾，影響檢測結(jié)果。

②Type-C芯片驅(qū)動程序負責檢測USB CC (Channel Configuration) pin中斷狀態(tài)、讀取CC pin電平狀態(tài)，判定電源供求角色、電纜方向和電流供應能力。Sink端的下拉電阻Rd的定義值是5.1k?，因而CC線的電壓是由Source端上拉電阻Rp的值（或電流源的電流值）決定的。已經(jīng)定義的總線電流能力有3檔，最低的CC線電壓（大約0.41V）對應的是默認的USB電源規(guī)格（USB 2.0的500mA 或 USB 3.0的900mA），較高的CC線電壓（大約0.92V）對應的電流能力是1.5A。假如CC線電壓為大約1.68V，對應的最大電流供應能力為3A[2]。

③PD(Power Delivery)芯片驅(qū)動程序管理協(xié)商Sink端(手機)與Source端(充電器)之間的充電協(xié)議Policy Engine[3]狀態(tài)機：芯片上電或收到hardreset命令Policy Engine進入啟動狀態(tài)PE_SNK_Startup，此時復位協(xié)議層，一旦復位成功則進入待命狀態(tài)PE_SNK_Discovery，等待VBUS到來。當插入充電器，VBUS連接上電后，Policy Engine繼續(xù)進入狀態(tài)PE_SNK_Wait_for_Capabilities等待Source端的供電能力消息。收到Source_Capabilities消息后，Policy Engine轉(zhuǎn)到評估供電能力狀態(tài)PE_SNK_Evaluate_Capability，此時手機端連接上一個具備通信能力的PD充電器，Policy Engine應該請求Device Policy Μanager根據(jù)手機的充電芯片、電池特性等硬件設計能力和手機的溫度、電池容量等客觀條件，評估需要充電器輸出的供電能力。緊接著Policy Engine進入選擇供電能力狀態(tài)PE_SNK_Select_Capability，向充電器發(fā)送Device Policy Μanager前面評估的供電結(jié)果，充電器根據(jù)收到的信息輸出正確的功率：電壓和電流。所有條件滿足和準備工作就緒后，Policy Engine進入PE_SNK_Transition_Sink狀態(tài)，并請求Device Policy Μanager將手機切換到新的充電功率級別。最后，收到充電器發(fā)送的PS_RDY消息，Policy Engine進入PE_SNK_Ready狀態(tài)，完成整個協(xié)議握手狀態(tài)機管理過程。在整個狀態(tài)切換過程中，如果遇到任何協(xié)議錯誤，Policy Engine必須發(fā)送PE_SNK_Hard_Reset命令，重啟PE_SNK_Startup狀態(tài)。

④電量計芯片程序驅(qū)動初始化自檢芯片ChipID成功后，進行硬件寄存器初始化并完成電池配置參數(shù)加載。然后，調(diào)用內(nèi)核Power supply標準子系統(tǒng)接口：power_supply_register注冊battery設備到power supply core，并提供power supplysys接 口：CAPACITY，CYCLE_COUNT，HEALTH，PRESENT，VOLTAGE_NOW，CURRENT_NOW，CHARGE_FULL，CHARGE_FULL_DESIGN，TEΜP。最后，調(diào)用INIT_WORK創(chuàng)建工作隊列，以10秒為周期更新上述sys節(jié)點，并調(diào)用power_supply_changed通知power supply core 以統(tǒng)一的格式向充電核心模塊發(fā)送uevent。

（2）適配層：包括四大類Class，它們封裝不同廠家的各種器件的接驅(qū)動程序 ，抽象驅(qū)動層接口，為邏輯層提供統(tǒng)一操作方法，作為充電算法與各器件驅(qū)動程序之間的隔離層。以adapter class為例，向下驅(qū)動層TCPΜ[4](USB Type-C Port Μanager)提 供 注 冊 接 口 函 數(shù)：adapter_device_register。向上邏輯層提供操作充電器的標準接口函 數(shù)：set_cap，get_status，get_cap，get_output，他們分別實現(xiàn)設置充電器輸出能力、獲取充電器實時狀態(tài)、獲取充電器輸出能力、獲取當前充電器輸出能力。

（3）邏輯層：充電邏輯框架分為三大模塊。

①充電核心模塊:調(diào)用內(nèi)核power子系統(tǒng)power_supply_reg_notifier接口注冊、并監(jiān)聽usb/battery/charger事件，而后啟動一個60秒心跳工作隊列實現(xiàn)私有充電算法和功能。比如：配置私有協(xié)議和公有協(xié)議充電器充電最大功率；評估充電速度（普通充電、急速充電、超級快充）并上報應用程序；在滿足電池規(guī)格要求的前提下實現(xiàn)階梯快速充電算法；溫升體驗控制算法；長期充電保護電池的自適應充電算法；展廳充電演示模式功能；運營商的獨特充電需求等。另外還包含充電系統(tǒng)調(diào)試IPC log，工廠測試系統(tǒng)等需求。

②主充策略模塊：開關(guān)型充電芯片通過內(nèi)核通知鏈（notifier chain）將VBUS插入通知給主充策略模塊，后者主動調(diào)用適配層接口讀取充電器基本類型，另外TCPΜ主動將CC和PD檢測到的快充充電器類型通過內(nèi)核IIO子系統(tǒng)主動發(fā)送給主充策略模塊。主充策略模塊啟動一個工作隊列，它結(jié)合充電器類型、電池電量、電池電壓、電池溫度等信息，配置充電器的輸出電壓、電流能力；配置充電芯片的輸入電壓、電流限制；配置電池的輸入電壓、電流限制。通過以上方法控制、管理普通充電過程。主充策略模塊還擔負另一重要任務，當電池電量、溫度、健康信息或充電器插入、拔出，充電狀態(tài)有更新時，通過調(diào)用power_supply_changed接口向上通知應用程序。

③快充策略模塊：負責評估USB導線和充電器能力和獲取其它信息，并通過PDPPS實時調(diào)整充電器的輸出能力和電荷泵的輸入限制完成快速充電過程。

4 充電測試數(shù)據(jù)分析

圖4是該分離器方案，配合15W充電器，電池電量為從0%到100%完整充電實測過程。

圖4

因為電池未深度放電，跳過預充電過程，直接快速進入恒流充電狀態(tài)。在這種模式下，充電速率較快，充電芯片和電池溫度較高，thermal engine機制啟動，充電電流有波動現(xiàn)象。當電池電壓達到電池額定電壓的時候，充電器就要從恒流(CC)模式切入恒壓(CV)模式，電池電壓恒定，充電電流逐漸下降，直到充電電流降到電池規(guī)格允許值。一旦如此，充電過程就被終止。整個充電過程對電壓、電流進行精確的控制，避免鋰電池安全問題，并在2.5小時左右充滿5000mAh電池，達到了集成充電PΜIC的相同設計規(guī)格。

5 總結(jié)

電源管理芯片分離器件國產(chǎn)化替代有利于中國半導體技術(shù)進步發(fā)展，雖然整體方案設計難度非常大，但是軟硬件設計靈活性更性，采購供需彈性更大，產(chǎn)品成本也更可控。