智能手機“一小時充電”充電管理方案

　　前沿

　　蘋果iPhone的出現(xiàn)，讓智能手機的概念走進了千家萬戶。隨著智能手機的快速普及，消費者對于智能手機功能以及體驗需求不斷提升，使得智能手機廠家不斷的追求硬件參數高配置。最為明顯的就是CPU核數以及屏幕尺寸不斷的變大，最近國產華為手機更是推出了6.1英寸，四核1.GHz CPU的Mate智能手機，把智能手機的硬件參數推到了另一個頂峰。但是這兩個硬件參數的提升卻嚴重的影響到了消費者對手機待機時間的需求。

　　年初，美國資訊公司 J.D. Power發(fā)布了2012年智能手機用戶滿意度調查報告，調查結果也表明手機電池是智能手機的使用瓶頸。該調查還顯示，手機電池的耗電量是決定客戶是否對手機滿意的最重要因素之一。一款簡單的功能機，充滿電后放上十天半個月不充電也是稀松平常的事。但是智能手機每天都得插上充電器，就像回到了有線電話時代，總有條“繩子”跟著你的手機。很遺憾鋰電池技術突破遠遠沒有跟上其它硬件的發(fā)展腳步，智能手機耗電激增更是將手機電池推向了絕對的瓶頸期。這種情況下，想要在電池端下工夫，只能增加電池體積以增大容量。目前主流手機電池容量多在1000-2000mAh之間，大尺寸的機器會出現(xiàn)配備2500mAh電池的手機，而華為的mate更是配了4050mAh的電池。

　　大容量電池必然帶來長時間的充電時間，同時對智能手機的充電技術提出了更高的要求。本文主要對目前主流智能手機充電方案做個詳細的介紹。

　　無源分立器件方案

　　分立器件充電方案主要是從功能機時代延續(xù)過來，如圖1為MTK平臺目前在功能機平臺以及低端智能手機平臺的主流充電方案。充電的控制全部靠主平臺來控制，通過兩路ADC檢測引腳ISENS/BATSNS之間0.2歐姆電阻的電壓差，內部的邏輯電路會設置流過R1電阻的電流來實現(xiàn)對電池充電電流大小的控制，而且還通過7.5K電阻以及NMOS管隔離BB或者PMU直接面對VCHG充電器輸出的脈沖高壓沖擊，確保不會因為劣質適配器輸出的高壓燒壞主芯片。

　　分立器件充電方案的優(yōu)勢是成本足夠便宜，劣勢就是充電電流比較少，目前市面主流的設置是500mA,而且充電的保護機制主要是靠平臺自身的軟硬件來實現(xiàn)。分立器件充電方案的優(yōu)缺點都比較明顯，但是在功能機時代，分立器件的優(yōu)勢得到極大發(fā)揚，而充電電流比較少的劣勢在功能機時代并沒有給消費者帶來太差的體驗感。正因為這樣，分立器件充電這套方案成為了所有功能機平臺的主流充電方案。

　　但是隨著智能手機電池容量的不斷增大，分立器件充電電流較少的劣勢不斷顯現(xiàn)，因為成本的考慮，很多廠家想通過分立器件的方式來提升充電電流。但是分立器件由于散熱的太差很難實現(xiàn)較大電流充電，圖2 是圖1電路中大電流通路的三極管兩種封裝圖，從早期的SOT23-6封裝發(fā)展到為了支持更大電流充電的DFN2X2-8封裝，但是分立器件自身的結構只能通過管腳對空氣散熱，限制了不管是哪種封裝都沒有辦法取得很好的散熱效果。類似的有源功率器件采用DFN、QFN封裝，看中的是可以利用封裝底部的散熱盤，這個散熱盤要有好的散熱效果必須接主板的大地，而無源的分立器件沒有辦法利用到散熱盤的這個有效散熱功能。

　　有源線性充電方案

　　在手機平臺還沒有高度集成化的時候，有源線性充電是手機充電的主流方案，后來隨著平臺的不斷集成化，BB把充電的控制邏輯集成在自身的PMU里面，從散熱方面考慮，把需要過大電流的管子放置在外面，從而延伸出了分立器件的充電方案。隨著智能手機的不斷普及，電池容量的不斷增大，對充電電流的要求不斷提升。上文描述的分立器件充電電流小、散熱差的問題越來越嚴重，線性充電的集成方案有開始陸續(xù)被一些更注重品質的廠家采用。

　　有源線性充電的優(yōu)勢是：1、芯片集成較多的充電保護機制，這種保護機制隨著充電電流的不斷增大，越來越被工程師所關注，畢竟充電模塊會涉及到手機可靠性方面；2、散熱較好，有源的充電IC一般會采用帶散熱盤的DFN/QFN等封裝，芯片內部的地會通過封裝的散熱盤接到主板的大地，非常有利于主板的散熱，不會出現(xiàn)手機主板某個局部區(qū)域溫度過高的情況。劣勢是：1、成本要比無源的分立器件方案高；2、充電電流最大支持到1A,電流再大，效率低導致的散熱問題也會明顯顯現(xiàn)。

　　如圖3、圖4為上海艾為電子推出的AW3210支持MTK、展訊智能手機平臺1A充電的高性價比充電方案。AW3210除了線性充電常規(guī)的保護機制例如OVP、OCP、軟啟動保護外，還專門針對大電流充電開發(fā)的具有專利技術的K-charger,K-charger專利技術可以自動根據芯片的溫度來調整充電電流的大小，避免因為使用中由于誤操作影響充電的可靠性。圖5為K-charger技術充電電流隨之芯片溫度變化的曲線示意圖。

　　                    圖3、AW3210支持MTK智能手機平臺充電方案

　                   　圖4、AW3210支持展訊智能手機平臺充電方案

                        圖5、 K-charger專利技術

　　開關充電方案

　　前面兩種充電方式主要還是功能機以及低端智能手機的充電方式，文章的開頭也介紹到智能手機的飛速發(fā)展，2013年的智能手機已經升級到4核（甚至8核）、5寸/6寸的硬件規(guī)格，電池容量升級到了2000mAh甚至到4000mAh以上的配置，過長的充電時間已經嚴重的威脅到消費者的體驗。所以從去年年底開始，主流的平臺廠家紛紛推出更大電流更高效率的充電方案，四核平臺MT6589參考設計就正式開關充電方案作為四核平臺充電的標準方案。

　　開關充電方案相對于線性充電方案最大的優(yōu)勢就是效率更高、發(fā)熱更小。上海艾為電子推出的支持1.5A的開關充電AW3215最高的效率能夠達到88%左右，而線性充電的方案效率也就只能在70%左右。充電電流的不斷提升，效率差別導致的發(fā)熱就越來越突出。下表為某手機發(fā)燒網站專門發(fā)布的針對目前市面上主流手機做的發(fā)熱測試，能夠看到充電對手機的發(fā)熱能夠列入手機發(fā)熱源的前三。

　　圖6是上海艾為電子針對高端智能手機平臺推出的支持1.5A充電電流。AW3215的典型應用，考慮到國內很多手機設計公司做的共板項目，同一個PCBA對應很多不同類型的機器，AW3215內置智能識別適配器輸出能力的功能，工程師只需要出廠前設置最大充電電流即可，無需還需要根據不同的適配器設置充電電流。AW3215通過實時監(jiān)測VBUS上的電壓，智能調節(jié)充電電流，使得同樣的一個硬件設置可以匹配市面任意的適配器，給PCBA廠家統(tǒng)一BOM提供了極大的方便。適配器智能檢測功能能夠最大程度地提高充電電流，也可以確保充電過程速度最快、安全性最高。

　　同時AW3215還提出了讓智能手機“一小時充好電”的口號，內置S-charger的功能，工程師可以通過脈沖控制AW3215的CTRL引腳來設置充電恒壓截止的判斷閾值。早期經典充電截至判斷標準是當恒壓階段充電電流降低到恒流電流的10%,則充電完成。AW3215可以讓用戶通過軟件設置恒壓充電截至的判斷閾值，可以調整為90%~10%,當充電達到軟件設置的閾值后，芯片會發(fā)中斷提示系統(tǒng)充電以完成，但是只要這個時候適配器沒有被用戶拔掉，AW3215還會繼續(xù)對電池充電，直到充電電流降低到恒流的10%才關斷充電通路。

　　筆者曾對三星note2做過充電實驗，記錄了note2在手機界面提示充電結束后，再在關機屏滅充電的情況下監(jiān)控適配器的輸出電流（適配器用電源來代替），下表記錄了note2整個的充電情況。很多人很奇怪note2這種充電的設置，眾所周知，3.7V的鋰電池當電池電壓超過4.0V以上，電池的能量只有20%左右，但是就是這個20%不到的能量可能會占這種大電流充電時間的一半左右，所以在不影響電池應用以及壽命的情況下，很多國際大廠類似三星、蘋果紛紛在顯示界面上做文章，讓消費者不會因為電池容量過大抱怨充電時間過長，而且這種方案在消費者允許手機長時間充電的情況下，電池一樣能夠被充滿。ipad2這種現(xiàn)象也曾經被發(fā)燒友測試出來，蘋果公司還專門發(fā)通知告知用戶不會對電池有任何的損壞。AW3215的S-charger功能就可以幫助手機設計工程師實現(xiàn)這種功能。

　　總結

　　總的來說，隨著智能手機的不斷發(fā)展，手機的充電技術也必將不斷的進步。本文中列舉的三種充電方案各有優(yōu)缺點，需要手機設計工程師根據自身的項目情況來選擇。筆者在此也根據三種充電方案給出自己的建議：

　　無源分立器件：功能機以及單核超低端智能手機的首選，畢竟成本才是第一位，而且CPU以及小尺寸的屏幕耗電還處于相對比較低，手機的電池容量也不會太大。

　　有源線性充電：單核高端機以及雙核低端機的首選，有源線性充電方案應該算是三種充電方案中在性能以及價格比較折中的方案，也符合這些手機的市場定位。

　　開關充電方案：高端智能手機的首選，這些手機首選考慮的應該是整機的效果以及消費者的體驗感，成本應該放在第二位。開關充電的高效率、低發(fā)熱量會是這些機器的首選方案。