前沿

蘋(píng)果iPhone的出現，讓智能手機的概念走進(jìn)了千家萬(wàn)戶(hù)。隨著(zhù)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(chǎng)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(chǎn)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(gè)頂峰。但是這兩個(gè)硬件參數的提升卻嚴重的影響到了消費者對手機待機時(shí)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(hù)滿(mǎn)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(hù)是否對手機滿(mǎn)意的最重要因素之一。一款簡(jiǎn)單的功能機，充滿(mǎn)電后放上十天半個(gè)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(xiàn)電話(huà)時(shí)代，總有條“繩子”跟著(zhù)你的手機。很遺憾鋰電池技術(shù)突破遠遠沒(méi)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(huì )出現配備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(lái)長(cháng)時(shí)間的充電時(shí)間，同時(shí)對智能手機的充電技術(shù)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(gè)詳細的介紹。

無(wú)源分立器件方案

分立器件充電方案主要是從功能機時(shí)代延續過(guò)來(lái)，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(lái)控制，通過(guò)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(huì )設置流過(guò)R1電阻的電流來(lái)實(shí)現對電池充電電流大小的控制，而且還通過(guò)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(huì )因為劣質(zhì)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(lái)實(shí)現。分立器件充電方案的優(yōu)缺點(diǎn)都比較明顯，但是在功能機時(shí)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(shí)代并沒(méi)有給消費者帶來(lái)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(zhù)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，因為成本的考慮，很多廠(chǎng)家想通過(guò)分立器件的方式來(lái)提升充電電流。但是分立器件由于散熱的太差很難實(shí)現較大電流充電，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(guò)管腳對空氣散熱，限制了不管是哪種封裝都沒(méi)有辦法取得很好的散熱效果。類(lèi)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(pán)，這個(gè)散熱盤(pán)要有好的散熱效果必須接主板的大地，而無(wú)源的分立器件沒(méi)有辦法利用到散熱盤(pán)的這個(gè)有效散熱功能。


有源線(xiàn)性充電方案

在手機平臺還沒(méi)有高度集成化的時(shí)候，有源線(xiàn)性充電是手機充電的主流方案，后來(lái)隨著(zhù)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(guò)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(zhù)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(wèn)題越來(lái)越嚴重，線(xiàn)性充電的集成方案有開(kāi)始陸續被一些更注重品質(zhì)的廠(chǎng)家采用。

有源線(xiàn)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(zhù)充電電流的不斷增大，越來(lái)越被工程師所關(guān)注，畢竟充電模塊會(huì )涉及到手機可靠性方面；2、散熱較好，有源的充電IC一般會(huì )采用帶散熱盤(pán)的DFN/QFN等封裝，芯片內部的地會(huì )通過(guò)封裝的散熱盤(pán)接到主板的大地，非常有利于主板的散熱，不會(huì )出現手機主板某個(gè)局部區域溫度過(guò)高的情況。劣勢是：1、成本要比無(wú)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(wèn)題也會(huì )明顯顯現。

如圖3、圖4為推出的AW3210支持MTK、展訊智能手機平臺1A充電的高性?xún)r(jià)比充電方案。AW3210除了線(xiàn)性充電常規的保護機制例如OVP、OCP、軟啟動(dòng)保護外，還專(zhuān)門(mén)針對大電流充電開(kāi)發(fā)的具有專(zhuān)利技術(shù)的K-charger，K-charger專(zhuān)利技術(shù)可以自動(dòng)根據芯片的溫度來(lái)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(shù)充電電流隨之芯片溫度變化的曲線(xiàn)示意圖。


開(kāi)關(guān)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(kāi)頭也介紹到智能手機的飛速發(fā)展，2013年的智能手機已經(jīng)升級到4核（甚至8核）、5寸/6寸的硬件規格，電池容量升級到了2000mAh甚至到4000mAh以上的配置，過(guò)長(cháng)的充電時(shí)間已經(jīng)嚴重的威脅到消費者的體驗。所以從去年年底開(kāi)始，主流的平臺廠(chǎng)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(kāi)關(guān)充電方案作為四核平臺充電的標準方案。

開(kāi)關(guān)充電方案相對于線(xiàn)性充電方案最大的優(yōu)勢就是效率更高、發(fā)熱更小。推出的支持1.5A的開(kāi)關(guān)充電AW3215最高的效率能夠達到88%左右，而線(xiàn)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(lái)越突出。下表為某手機發(fā)燒網(wǎng)站專(zhuān)門(mén)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(gè)PCBA對應很多不同類(lèi)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(chǎng)前設置最大充電電流即可，無(wú)需還需要根據不同的適配器設置充電電流。AW3215通過(guò)實(shí)時(shí)監測VBUS上的電壓，智能調節充電電流，使得同樣的一個(gè)硬件設置可以匹配市面任意的適配器，給PCBA廠(chǎng)家統一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(guò)程速度最快、安全性最高。


同時(shí)AW3215還提出了讓智能手機“一小時(shí)充好電”的口號，內置S-charger的功能，工程師可以通過(guò)脈沖控制AW3215的CTRL引腳來(lái)設置充電恒壓截止的判斷閾值。早期經(jīng)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(hù)通過(guò)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(huì )發(fā)中斷提示系統充電以完成，但是只要這個(gè)時(shí)候適配器沒(méi)有被用戶(hù)拔掉，AW3215還會(huì )繼續對電池充電，直到充電電流降低到恒流的10%才關(guān)斷充電通路。

筆者曾對三星note2做過(guò)充電實(shí)驗，記錄了note2在手機界面提示充電結束后，再在關(guān)機屏滅充電的情況下監控適配器的輸出電流（適配器用電源來(lái)代替），下表記錄了note2整個(gè)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(guò)4.0V以上，電池的能量只有20%左右，但是就是這個(gè)20%不到的能量可能會(huì )占這種大電流充電時(shí)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(chǎng)類(lèi)似三星、蘋(píng)果紛紛在顯示界面上做文章，讓消費者不會(huì )因為電池容量過(guò)大抱怨充電時(shí)間過(guò)長(cháng)，而且這種方案在消費者允許手機長(cháng)時(shí)間充電的情況下，電池一樣能夠被充滿(mǎn)。ipad2這種現象也曾經(jīng)被發(fā)燒友測試出來(lái)，蘋(píng)果公司還專(zhuān)門(mén)發(fā)通知告知用戶(hù)不會(huì )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(shí)現這種功能。

總結

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

一、無(wú)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(huì )太大。

二、有源線(xiàn)性充電：?jiǎn)魏烁叨藱C以及雙核低端機的首選，有源線(xiàn)性充電方案應該算是三種充電方案中在性能以及價(jià)格比較折中的方案，也符合這些手機的市場(chǎng)定位。

三、開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)充電的高效率、低發(fā)熱量會(huì )是這些機器的首選方案。



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