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電池容量呈線性緩慢增長(zhǎng)，能耗需求缺口逐漸拉大。電池技術(shù)遲遲無(wú)法突破，成為終端使用的最大瓶頸。電池容量增長(zhǎng)緩慢，每年線性提升約15%，而能耗則是呈指數(shù)增長(zhǎng)，能耗需求與電池性能的差距愈發(fā)明顯。電池性能曲線將與能耗需求曲線嚴(yán)重脫軌，提高充電速度成為電池續(xù)航的關(guān)鍵解決方案，快速充電已成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)熱點(diǎn)。

 

 

快速充電技術(shù)將成為手機(jī)標(biāo)配。在電池容量無(wú)法迅速取得突破，手機(jī)用電量又飛速增長(zhǎng)的前提下，快速充電技術(shù)普及尤為必要。中國(guó)信息通信研究院對(duì)快速充電的定義是：30分鐘充電進(jìn)入電池的平均電流大于3A或者30分鐘充電電量大于60%。

 

快速充電系統(tǒng)包括快充標(biāo)準(zhǔn)，快充電源適配器，接口E-marker芯片，充電線纜，手機(jī)快充芯片，電池等多個(gè)部分。各部分都必須針對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，才能實(shí)現(xiàn)快充功能，并且保證充電安全。

 

 

 

 

充電適配器的任務(wù)是把220V的市電轉(zhuǎn)換為手機(jī)能夠承受的5V電壓（現(xiàn)在應(yīng)各種充電協(xié)議，如QC和USB PD（Type C接口）等的要求，也要求能夠送出9V/12V/14.5V甚至20V的電壓。關(guān)于充電協(xié)議的話題我們已在前面一篇公眾號(hào)做過(guò)討論），同時(shí)具有一定的功率輸出能力，例如5V/2A, 9V/1A等等規(guī)格。充電適配器屬于AC-DC的技術(shù)范疇，平常所說(shuō)的快充芯片其實(shí)是對(duì)適配器AC-DC芯片和手機(jī)端的開(kāi)關(guān)式充電管理芯片（以 DC-DC技術(shù)為實(shí)現(xiàn)手段）的統(tǒng)稱，但本文的快充芯片特指手機(jī)端的開(kāi)關(guān)式充電管理芯片。

 

 

充電線纜的任務(wù)就是負(fù)責(zé)把電壓/電流從適配器端傳送到手機(jī)端，由于目前絕大多數(shù)充電線實(shí)際上就是USB線。這里有一個(gè)參數(shù)需要提請(qǐng)大家注意。按照USB2.0的標(biāo)準(zhǔn)，線纜需要具備傳送最大1.8A的電流能力，因此如果是5V的適配器，USB2.0的線纜最大能傳送的功率其實(shí)只有9W。

 

 

它的任務(wù)是把適配器的5V/9V/12V等電壓轉(zhuǎn)換成電池的電壓，同時(shí)按照需要的充電電流精確可控地向電池進(jìn)行充電。從技術(shù)上看，快充芯片是這四個(gè)環(huán)節(jié)中最具有挑戰(zhàn)的部分，因此目前業(yè)界有能力提供高品質(zhì)高可靠性的快充芯片的廠家十分有限，主要還是以德州儀器，仙童半導(dǎo)體等少數(shù)幾家國(guó)外大廠為主，國(guó)內(nèi)的希荻微電子、漢能經(jīng)過(guò)幾年堅(jiān)持不懈的自主研發(fā)，已推出了一系列的快充芯片，打破了國(guó)外大廠的壟斷局面，并已在各大手機(jī)方案商和品牌商得到廣泛的應(yīng)用?？斐湫酒唧w的介紹將在下文做詳解。

 

 

電池是這個(gè)環(huán)節(jié)非常重要的部分，整個(gè)充電環(huán)節(jié)都是為了使電池快速而安全地充滿電量。電池的主要參數(shù)包括：容量（mAH，手機(jī)中常見(jiàn)的有2000mAH, 3000mAH和4100mAH），充電截止電壓（目前常見(jiàn)的有4.2V, 4.35V和4.4V規(guī)格，更高的充電截止電壓，在同等的電池體積情況下，通常具有更高的電池容量，因此目前所謂的4.35V及以上的高壓電池逐漸在手機(jī)上得到更廣泛的應(yīng)用），以及可接受的最大充電電流等等。其中，可接受的最大充電電流一般以nC來(lái)表示。例如一個(gè)3000mAH的電池，1C的充電速度是指一個(gè)小時(shí)之內(nèi)即可充滿電池，此時(shí)可接受的最大充電電流就是3A；如果允許2C的充電速度，那么理論上半小時(shí)就可以充滿電池，則此時(shí)可接受的最大充電電流即為6A；以此類(lèi)推等等。

 

 

其實(shí)給鋰離子電池充電的過(guò)程和我們生活中用水龍頭向洗臉盆放水的過(guò)程非常類(lèi)似：

 

第一階段：當(dāng)開(kāi)始給一個(gè)空的臉盆放水的時(shí)候，為了不讓水濺出來(lái)，會(huì)把水量控制得很??；第二階段：等到臉盆底部積滿了一定水位之后，才把水龍頭開(kāi)得比較大，臉盆里已有的水可以對(duì)這樣急速的進(jìn)水起到緩沖作用，從而不會(huì)有水花濺出；第三階段：當(dāng)水位快到臉盆頂部的時(shí)候，此時(shí)我們又會(huì)逐漸減小進(jìn)水量，以防止有水沖出臉盆之外，直至積滿整個(gè)水盆。

 

電池就像這個(gè)臉盆，只不過(guò)它儲(chǔ)存的不是水，而是電荷。電池的充電也有類(lèi)似的三個(gè)階段：

 

第一階段：涓流充電。電池的特點(diǎn)是，當(dāng)電池電壓（大致相當(dāng)于水位）非常低的時(shí)候，其內(nèi)部的鋰離子活動(dòng)性較差，內(nèi)阻較大，因此只能接受較小的充電電流（一般在30到50mA左右），否則電池容易發(fā)熱和老化，不僅損害電池壽命，而且有潛在的安全問(wèn)題，因此把這個(gè)階段稱為涓流充電，也有同行將之稱為線性充電或者預(yù)充電等等。

 

第二階段：恒流充電。當(dāng)電池電壓高于2V以上，電池的鋰離子活動(dòng)性被充分激活，內(nèi)阻也較小，所以能夠接受大電流的充電。在這個(gè)階段，快充芯片會(huì)按照設(shè)定向電池提供可接受的充電電流，因此在這個(gè)階段電池得到的電量也是最大的，可以占到容量的70%到80%以上。

 

第三階段：恒壓充電。電池是一個(gè)十分嬌氣的儲(chǔ)能元件，它的電池電壓不允許超過(guò)截止電壓的±50mV，否則就會(huì)有安全隱患。因此，當(dāng)電池電壓被充到接近充電截止電壓的時(shí)候，快充芯片必須能夠自動(dòng)減小充電電流，控制“水花”不要超出范圍，直至把電池完全充滿。

 

一個(gè)合格的快充芯片，必須能夠根據(jù)電池電壓的高低，自動(dòng)地控制充電過(guò)程在上述三個(gè)階段之間進(jìn)行無(wú)縫切換，而無(wú)需其他硬件或者軟件的幫助。

 

 

 

國(guó)產(chǎn)手機(jī)增長(zhǎng)迅猛，取得話語(yǔ)權(quán)。隨著華為、OPPO、Vivo等國(guó)產(chǎn)手機(jī)廠商在全球份額不斷擴(kuò)大，中國(guó)廠商產(chǎn)業(yè)鏈整合能力提升，將可以取得快速充電市場(chǎng)的主導(dǎo)權(quán)。相比高壓快充方式，低壓大電流在實(shí)現(xiàn)同樣功率下效率更高，充電器和手機(jī)發(fā)熱更少，將占據(jù)市場(chǎng)主流。

 

 

 

 

 

高通QuickCharge采用高壓快充標(biāo)準(zhǔn)。得益于在手機(jī)處理器端的統(tǒng)治級(jí)地位，目前有超過(guò)100種智能手機(jī)都采用高通Quick Charge的方案。小米4C，小米note，三星等主流品牌均在采用此充電技術(shù)。這與目前高端智能手機(jī)所采用的平臺(tái)有相當(dāng)關(guān)系。另外，這種技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)容易，成本提升不明顯，市場(chǎng)較容易接受。高通QC充電技術(shù)有兩個(gè)版本，分別是QC2.0和QC3.0，現(xiàn)在QC3.0的手機(jī)還很少，普遍還是QC2.0。QC3.0采用高壓快充技術(shù)，通過(guò)

3.6~20V動(dòng)態(tài)可調(diào)節(jié)電壓和最大3A電流以實(shí)現(xiàn)最大36 W充電功率。同時(shí)，QC 3.0采用了最佳電壓智慧協(xié)商(INOV)技術(shù)，可讓受電裝置自行判斷，以最適合的功率級(jí)別進(jìn)行充電，將能源轉(zhuǎn)換效率最大化。

 

 

聯(lián)發(fā)科Pump Express快充技術(shù)與高通QC2.0雖在實(shí)現(xiàn)方式上有所不同，卻有異曲同工之妙。高通QC2.0是通過(guò)USB端口的D+和D-來(lái)個(gè)信號(hào)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，而聯(lián)發(fā)科的Pump Express快充技術(shù)，是通過(guò)USB端口的VBUS來(lái)向充電器通訊并申請(qǐng)相應(yīng)的輸出電壓的。QC2.0是通過(guò)配置D+和D-電壓的方式來(lái)通訊，Pump Express是通過(guò)VBUS上的電流脈沖來(lái)通訊，但最終的目的是提升充電器的電壓到5V，7V，9V。

 

 

稱自己研發(fā)的快充技術(shù)為“ VOOC閃充技術(shù)“，也是最神秘的快充技術(shù)，目前只有OPPO的幾款產(chǎn)品在用，即Find 7和N3等，由于OPPO對(duì)此技術(shù)有專(zhuān)利限制，其它手機(jī)廠商只能?chē)@為觀止，且成本相對(duì)較高，充電器體積較大，便攜方面沒(méi)有其它快充技術(shù)的好。

 

OPPO的VOOC閃充技術(shù)與傳統(tǒng)充電最大的區(qū)別在于，創(chuàng)新性的將充電控制電路移植到了適配器端，也就是將最大的發(fā)熱源 移植到了適配器。這樣控制電路在適配器，而被充電的電池在手機(jī)端，充電時(shí)手機(jī)發(fā)熱得以很好的解決。為了更好的對(duì)充電流程進(jìn)行控制 (比如控制電路需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓、溫度等)，OPPO特別在適配器端加入了智能控制芯片MCU，適配器端實(shí)現(xiàn)了充電控制電路，智能控制充電的整個(gè)流程。

 

 

最近，榮耀發(fā)布了10000mAh快充移動(dòng)電源。這款電源可以在3.5小時(shí)內(nèi)完成100%的充電量，半小時(shí)內(nèi)即可給榮耀7充電50%。大體配置如下：高密度 聚合物電芯、支持18W(MAX)雙向快充、兼容海思FCP及其他主流快充協(xié)議、支持Type-C或USB輸出。相關(guān)評(píng)測(cè)證明，該款電源可以為華為P9充 電2.3次、為榮耀V8充電1.9次，為三星S7充電2.3次，可為iPhone6S充電4次。從雙向充電性能及相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)看，這款產(chǎn)品應(yīng)該算是國(guó)內(nèi)移動(dòng) 電源市場(chǎng)的旗艦級(jí)產(chǎn)品了。

 

 

榮耀這款快充移動(dòng)電源在實(shí)現(xiàn)9V2A雙向快充的同時(shí)，更支持海思、高通QC2.0、MTK多種快充協(xié)議。在獨(dú)家支持榮耀7、榮耀V8、華為 Mate8、P9等支持海思快充協(xié)議的華為/榮耀手機(jī)摯愛(ài)，還兼容高通QC2.0、MTK等快充協(xié)議，幾乎可以滿足市面上所有主流快充手機(jī)要求。

 

 

現(xiàn)市面上使用的電池管理芯片，主要是TI（德州儀器）和Fairchild（仙童半導(dǎo)體）的產(chǎn)品。另外還有 Dialog 半導(dǎo)體公司 Qualcomm Quick Charge 3.0（QC3.0）芯片組、PI高通QC3.0識(shí)別協(xié)議芯片CHY103D，漢能也推出一款適用于智能手機(jī)的快充芯片HE4120、希荻微也推出快充芯片HL7005應(yīng)用方案。

 

 

 

 

TI比較有代表性的方案有BQ25895，它的maxcharge技術(shù)是將高通QC2.0和聯(lián)發(fā)科的Pump Express，以及TI自身的高性能充電管理做了一次整合，其最大充電電流可達(dá)5A，最大輸入電壓14V，可以很好地支持QC2.0和Pump Express標(biāo)準(zhǔn)的充電器。我們對(duì)TI提供的BQ25890 demo板實(shí)測(cè)，在4A充電時(shí)，芯片溫度達(dá)55度左右（在環(huán)境溫度25度下測(cè)試），差不多有30度的溫升，這如果放在手機(jī)內(nèi)部，將會(huì)是一個(gè)重要的熱源。

 

 

BQ25895 評(píng)估模塊 (EVM) 

 

TI的maxcharge充電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，由于同時(shí)兼容高通QC2.0和聯(lián)發(fā)科Pump Express技術(shù)，因此也就同時(shí)具備了QC2.0和聯(lián)發(fā)科Pump Express的優(yōu)化點(diǎn)。它缺點(diǎn)也和高通與聯(lián)發(fā)科一樣，整體的效率還不是很高，因此發(fā)熱量較大。

 

鑒于手機(jī)充電部分的發(fā)熱問(wèn)題，短時(shí)間QC3.0和Pump Express plus還未普及，那么我們是否還有其它方案來(lái)減小手機(jī)充電發(fā)熱量呢？答案是肯定的。我們用兩顆充電芯片同時(shí)對(duì)一顆電池進(jìn)行充電，可以減少單獨(dú)充電芯片的發(fā)熱量。下圖是BQ25890+BQ25896雙Demo實(shí)測(cè)，設(shè)置兩顆充電芯片的充電電流都為2A，總共4A對(duì)電池充電，充電30分鐘后，測(cè)到兩個(gè)芯片的溫度分別為42度和40度，室溫為25度，芯片溫升分別為17度和15度，比單芯片充電方案的溫升降低了一半。因此，雙充電芯片方案對(duì)提高充電效率，減少手機(jī)充電發(fā)熱方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。

 

Q25890+BQ25896雙Demo實(shí)測(cè)

 

 

伴隨業(yè)界充電通訊協(xié)議QC2.0問(wèn)世, Fairchild 也提供了最新的FAN501A與FAN6100Q,快充配套方案,符合Qualcomm制定的QC2.0充電標(biāo)準(zhǔn) ,以搭配高階手機(jī)運(yùn)用。該方案適用平板計(jì)算機(jī)與智能手機(jī)，符合QC2.0快充標(biāo)準(zhǔn), 提升40%充電速度，具有高效率, 平均效率>85%。而且具有高功率密度, 變壓器小型化。

 

其線路圖及方案方塊圖如下：

 

 

 

 

Dialog半導(dǎo)體公司近期宣布，其Qualcomm Quick Charge 3.0（QC3.0）芯片組現(xiàn)已開(kāi)始量產(chǎn)。該芯片組的獨(dú)特之處在于提供恒定的功率分布圖（power profile），以便于配置。該芯片組與QC2.0芯片組引腳兼容，有助于簡(jiǎn)化升級(jí)，并將繼續(xù)擴(kuò)大Dialog在快速充電市場(chǎng)上的領(lǐng)先地位，目前Dialog在該市場(chǎng)占據(jù)的份額據(jù)估計(jì)為70%。

 

 

 

Power Integrations宣布推出的ChiPhy充電器接口IC產(chǎn)品系列的最新器件CHY103D，是首款兼容Qualcomm Inc.旗下子公司Qualcomm Technologies，Inc.所開(kāi)發(fā)的QuickCharge(QC)3.0協(xié)議的離線式AC-DC充電器IC。

 

與Power Integrations的InnoSwitch AC-DC開(kāi)關(guān)IC一起使用，CHY103D器件可提供支持QC3.0所需的所有功能。QC3.0協(xié)議與CHY103D器件的完美結(jié)合可極大降低智能移動(dòng) 設(shè)備在快速充電過(guò)程中所產(chǎn)生的損耗。這一特點(diǎn)允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)師選擇提高手機(jī)的充電速度或是降低手機(jī)在充電過(guò)程中的觸摸溫度，并且提高充電過(guò)程的效率。

 

該IC能夠使電壓以200mV的增量發(fā)生變化，而不是當(dāng)前許多快速充電設(shè)計(jì)中所采用的更大階躍（例如，從5V到9或12V），因此可提高充電效率并降低熱耗散。此項(xiàng)技術(shù)能夠讓移動(dòng)設(shè)備優(yōu)化離線式充電器的供電電壓，從而最大程度地降低手機(jī)內(nèi)部充電管理系統(tǒng)中的功耗。

 

 

CHY103D具有豐富的保護(hù)功能，包括可防止輸出超過(guò)設(shè)定輸出電壓的120%的自適應(yīng)輸出過(guò)壓保護(hù)(AOVP)、可檢測(cè)局部短路并停止功率輸出以防止 電纜和連接器過(guò)熱的輸出軟短路保護(hù)(OSSP)以及可在檢測(cè)到故障的情況下使受電設(shè)備遠(yuǎn)程關(guān)斷適配器的遠(yuǎn)程關(guān)斷保護(hù)(RESP)。

　　

CHY103D器件自身在5V輸出時(shí)的功耗還不到1mW；當(dāng)與高效率的Inno Switch器件結(jié)合使用時(shí)，這種低功耗可幫助設(shè)計(jì)師滿足嚴(yán)格的充電器效率要求，例如，即將實(shí)施的美國(guó)外部電源聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)的修訂版。

　　

CHY103D器件適用于平板電腦、智能手機(jī)、Bluetooth 附件以及USB功率輸出端口等移動(dòng)設(shè)備的電池充電器。同時(shí)，它還與Quick Charge 2.0產(chǎn)品兼容。

 

 

漢能科技股份有限公司推出的一款適用于智能手機(jī)的快充芯片，其性能比TI（德州儀器）、Fairchild（仙童半導(dǎo)體）的產(chǎn)品更具優(yōu)勢(shì)和性價(jià)比。那么這款芯片究竟有何過(guò)人之處呢？我們通過(guò)比較來(lái)看看這款芯片的特點(diǎn)：

 

 

從上圖我們可以得之，漢能科技主推的這款快充芯片的型號(hào)叫HE41201，采用WCSP20的封裝格式，與TI 主推的BQ24157/8是PIN對(duì)PIN的產(chǎn)品。且該款電池管理芯片也是開(kāi)關(guān)式的電源方案。與線性的電源方案比，開(kāi)關(guān)式的電源方案轉(zhuǎn)換效率更高，發(fā)熱更小。

 

　　

希荻微HL7005提供完整的全自動(dòng)的三段式充電管理：涓流預(yù)充電，大電流恒流充電和恒壓充電。當(dāng)電池電壓降到內(nèi)部閾值以下時(shí)，芯片自動(dòng)重啟充電周期。如果輸入電源斷開(kāi)，芯片將自動(dòng)進(jìn)入阻止電池電流泄漏到輸入端的高阻模式。當(dāng)芯片溫度達(dá)到120℃時(shí)，芯片會(huì)自動(dòng)減小充電電流以防止芯片過(guò)熱。

 

 

HL7005有三個(gè)工作模式：充電模式，升壓模式和高阻抗模式。在充電模式下，芯片提供單節(jié)鋰離子電池或者鋰離子聚合物電池的精準(zhǔn)充電系統(tǒng)。在升壓模式下，芯片將電池電壓升高至5.0V由VUSB作為輸出來(lái)為OTG設(shè)備提供電源。在高阻抗模式下，芯片停止充電或者停止升壓，呈現(xiàn)一個(gè)高阻抗?fàn)顟B(tài)，此時(shí)從VUSB端和電池端消耗的電流都很小。當(dāng)手持設(shè)備處在待機(jī)狀態(tài)時(shí)，此模式可以有效地減少功耗。主機(jī)通過(guò)I2C與HL7005進(jìn)行通信（即所謂的主機(jī)模式或者32秒模式），可以使芯片在不同的工作模式下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切換。在沒(méi)有I2C主機(jī)時(shí)，芯片會(huì)啟動(dòng)30分鐘安全定時(shí)器并進(jìn)入30分鐘（默認(rèn)）模式。在30分鐘模式工作期間，HL7005將基于寄存器的默認(rèn)值給電池進(jìn)行充電。

 

下圖是HL7005的功能框圖：

　　

 

HL7005工作示意圖

 

　

 

HL7005以其優(yōu)異的品質(zhì)和性能，通過(guò)了MTK、展訊、聯(lián)芯等多家平臺(tái)廠商的測(cè)試認(rèn)證，列入?yún)⒖荚O(shè)計(jì)。

 

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