前沿
蘋(píng)果iPhone的出現(xiàn),，讓智能手機(jī)的概念走進(jìn)了千家萬(wàn)戶(hù)。隨著智能手機(jī)的快速普及,，消費(fèi)者對(duì)于智能手機(jī)功能以及體驗(yàn)需求不斷提升,，使得智能手機(jī)廠(chǎng)家不斷的追求硬件參數(shù)高配置。最為明顯的就是CPU核數(shù)以及屏幕尺寸不斷的變大,，最近國(guó)產(chǎn)華為手機(jī)更是推出了6.1英寸,，四核1.GHz CPU的Mate智能手機(jī)，把智能手機(jī)的硬件參數(shù)推到了另一個(gè)頂峰,。但是這兩個(gè)硬件參數(shù)的提升卻嚴(yán)重的影響到了消費(fèi)者對(duì)手機(jī)待機(jī)時(shí)間的需求,。
年初，美國(guó)資訊公司 J.D. Power發(fā)布了2012年智能手機(jī)用戶(hù)滿(mǎn)意度調(diào)查報(bào)告,，調(diào)查結(jié)果也表明手機(jī)電池是智能手機(jī)的使用瓶頸,。該調(diào)查還顯示，手機(jī)電池的耗電量是決定客戶(hù)是否對(duì)手機(jī)滿(mǎn)意的最重要因素之一,。一款簡(jiǎn)單的功能機(jī),，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(jī)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”跟著你的手機(jī)。很遺憾鋰電池技術(shù)突破遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有跟上其它硬件的發(fā)展腳步,，智能手機(jī)耗電激增更是將手機(jī)電池推向了絕對(duì)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(jī)電池容量多在1000-2000mAh之間，大尺寸的機(jī)器會(huì)出現(xiàn)配備2500mAh電池的手機(jī),，而華為的mate更是配了4050mAh的電池,。
大容量電池必然帶來(lái)長(zhǎng)時(shí)間的充電時(shí)間，同時(shí)對(duì)智能手機(jī)的充電技術(shù)提出了更高的要求,。本文主要對(duì)目前主流智能手機(jī)充電方案做個(gè)詳細(xì)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(jī)時(shí)代延續(xù)過(guò)來(lái)，如圖1為MTK平臺(tái)目前在功能機(jī)平臺(tái)以及低端智能手機(jī)平臺(tái)的主流充電方案。充電的控制全部靠主平臺(tái)來(lái)控制,，通過(guò)兩路ADC檢測(cè)引腳ISENS/BATSNS之間0.2歐姆電阻的電壓差,，內(nèi)部的邏輯電路會(huì)設(shè)置流過(guò)R1電阻的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)VCHG充電器輸出的脈沖高壓沖擊,，確保不會(huì)因?yàn)榱淤|(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(shì)是成本足夠便宜，劣勢(shì)就是充電電流比較少,，目前市面主流的設(shè)置是500mA,而且充電的保護(hù)機(jī)制主要是靠平臺(tái)自身的軟硬件來(lái)實(shí)現(xiàn),。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(jī)時(shí)代,，分立器件的優(yōu)勢(shì)得到極大發(fā)揚(yáng),，而充電電流比較少的劣勢(shì)在功能機(jī)時(shí)代并沒(méi)有給消費(fèi)者帶來(lái)太差的體驗(yàn)感。正因?yàn)檫@樣,，分立器件充電這套方案成為了所有功能機(jī)平臺(tái)的主流充電方案,。
但是隨著智能手機(jī)電池容量的不斷增大，分立器件充電電流較少的劣勢(shì)不斷顯現(xiàn),，因?yàn)槌杀镜目紤],，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(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(jié)構(gòu)只能通過(guò)管腳對(duì)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(jī)平臺(tái)還沒(méi)有高度集成化的時(shí)候，有源線(xiàn)性充電是手機(jī)充電的主流方案,，后來(lái)隨著平臺(tái)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。隨著智能手機(jī)的不斷普及,，電池容量的不斷增大,，對(duì)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(yán)重,，線(xiàn)性充電的集成方案有開(kāi)始陸續(xù)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(shì)是：1、芯片集成較多的充電保護(hù)機(jī)制,，這種保護(hù)機(jī)制隨著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(jī)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(nèi)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(xiàn)手機(jī)主板某個(gè)局部區(qū)域溫度過(guò)高的情況,。劣勢(shì)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(dǎo)致的散熱問(wèn)題也會(huì)明顯顯現(xiàn)。
如圖3,、圖4為推出的AW3210支持MTK,、展訊智能手機(jī)平臺(tái)1A充電的高性?xún)r(jià)比充電方案。AW3210除了線(xiàn)性充電常規(guī)的保護(hù)機(jī)制例如OVP,、OCP,、軟啟動(dòng)保護(hù)外，還專(zhuān)門(mén)針對(duì)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(jù)芯片的溫度來(lái)調(diào)整充電電流的大小,，避免因?yàn)槭褂弥杏捎谡`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(jī)以及低端智能手機(jī)的充電方式,，文章的開(kāi)頭也介紹到智能手機(jī)的飛速發(fā)展,，2013年的智能手機(jī)已經(jīng)升級(jí)到4核（甚至8核）、5寸/6寸的硬件規(guī)格,，電池容量升級(jí)到了2000mAh甚至到4000mAh以上的配置,，過(guò)長(zhǎng)的充電時(shí)間已經(jīng)嚴(yán)重的威脅到消費(fèi)者的體驗(yàn)。所以從去年年底開(kāi)始,，主流的平臺(tái)廠(chǎng)家紛紛推出更大電流更高效率的充電方案,，四核平臺(tái)MT6589參考設(shè)計(jì)就正式開(kāi)關(guān)充電方案作為四核平臺(tái)充電的標(biāo)準(zhǔn)方案。
開(kāi)關(guān)充電方案相對(duì)于線(xiàn)性充電方案最大的優(yōu)勢(shì)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(dá)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(dǎo)致的發(fā)熱就越來(lái)越突出,。下表為某手機(jī)發(fā)燒網(wǎng)站專(zhuān)門(mén)發(fā)布的針對(duì)目前市面上主流手機(jī)做的發(fā)熱測(cè)試，能夠看到充電對(duì)手機(jī)的發(fā)熱能夠列入手機(jī)發(fā)熱源的前三,。
圖6是針對(duì)高端智能手機(jī)平臺(tái)推出的支持1.5A充電電流AW3215的典型應(yīng)用,，考慮到國(guó)內(nèi)很多手機(jī)設(shè)計(jì)公司做的共板項(xiàng)目，同一個(gè)PCBA對(duì)應(yīng)很多不同類(lèi)型的機(jī)器,，AW3215內(nèi)置智能識(shí)別適配器輸出能力的功能,，工程師只需要出廠(chǎng)前設(shè)置最大充電電流即可，無(wú)需還需要根據(jù)不同的適配器設(shè)置充電電流,。AW3215通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)VBUS上的電壓,，智能調(diào)節(jié)充電電流，使得同樣的一個(gè)硬件設(shè)置可以匹配市面任意的適配器,，給PCBA廠(chǎng)家統(tǒng)一BOM提供了極大的方便,。適配器智能檢測(cè)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(jī)“一小時(shí)充好電”的口號(hào)，內(nèi)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(shè)置充電恒壓截止的判斷閾值,。早期經(jīng)典充電截至判斷標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)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(shè)置恒壓充電截至的判斷閾值,，可以調(diào)整為90%~10%,當(dāng)充電達(dá)到軟件設(shè)置的閾值后,，芯片會(huì)發(fā)中斷提示系統(tǒng)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(xù)對(duì)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(duì)三星note2做過(guò)充電實(shí)驗(yàn),，記錄了note2在手機(jī)界面提示充電結(jié)束后,，再在關(guān)機(jī)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(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(shè)置,，眾所周知，3.7V的鋰電池當(dāng)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(yīng)用以及壽命的情況下,，很多國(guó)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(fèi)者不會(huì)因?yàn)殡姵厝萘窟^(guò)大抱怨充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng),，而且這種方案在消費(fèi)者允許手機(jī)長(zhǎng)時(shí)間充電的情況下,，電池一樣能夠被充滿(mǎn)。ipad2這種現(xiàn)象也曾經(jīng)被發(fā)燒友測(cè)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(duì)電池有任何的損壞,。AW3215的S-charger功能就可以幫助手機(jī)設(shè)計(jì)工程師實(shí)現(xiàn)這種功能。
總結(jié)
總的來(lái)說(shuō),，隨著智能手機(jī)的不斷發(fā)展,，手機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)工程師根據(jù)自身的項(xiàng)目情況來(lái)選擇,。筆者在此也根據(jù)三種充電方案給出自己的建議：
一、無(wú)源分立器件：功能機(jī)以及單核超低端智能手機(jī)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(duì)比較低，手機(jī)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(jī)以及雙核低端機(jī)的首選，有源線(xiàn)性充電方案應(yīng)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(jī)的市場(chǎng)定位,。
三、開(kāi)關(guān)充電方案：高端智能手機(jī)的首選,，這些手機(jī)首選考慮的應(yīng)該是整機(jī)的效果以及消費(fèi)者的體驗(yàn)感,，成本應(yīng)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(jī)器的首選方案,。