手机快充芯片及其技术标准和设计原理详解

shuszhao

智能手机对于宽带无线通信、图像处理等多方面的需求导致实际耗电呈指数增长。未来5G通信带宽将比4G增加10倍，4K/8K等高清视频技术逐渐应用，CPU、GPU等运算电路处理能力不断增强，这一切都将导致智能手机整体能耗需求将成指数增长。
电池容量呈线性缓慢增长，能耗需求缺口逐渐拉大。电池技术迟迟无法突破，成为终端使用的最大瓶颈。电池容量增长缓慢，每年线性提升约15%，而能耗则是呈指数增长，能耗需求与电池性能的差距愈发明显。电池性能曲线将与能耗需求曲线严重脱轨，提高充电速度成为电池续航的关键解决方案，快速充电已成为市场竞争热点。
一、快速充电原理
快速充电技术将成为手机标配。在电池容量无法迅速取得突破，手机用电量又飞速增长的前提下，快速充电技术普及尤为必要。中国信息通信研究院对快速充电的定义是：30分钟充电进入电池的平均电流大于3A或者30分钟充电电量大于60%。
快速充电系统包括快充标准，快充电源适配器，接口E-marker芯片，充电线缆，手机快充芯片，电池等多个部分。各部分都必须针对不同标准专门设计，才能实现快充功能，并且保证充电安全。

1、 手机的四个充电环节

                               
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1）充电适配器
充电适配器的任务是把220V的市电转换为手机能够承受的5V电压（现在应各种充电协议，如QC和USB PD（Type C接口）等的要求，也要求能够送出9V/12V/14.5V甚至20V的电压。关于充电协议的话题我们已在前面一篇公众号做过讨论），同时具有一定的功率输出能力，例如5V/2A, 9V/1A等等规格。充电适配器属于AC-DC的技术范畴，平常所说的快充芯片其实是对适配器AC-DC芯片和手机端的开关式充电管理芯片（以DC-DC技术为实现手段）的统称，但本文的快充芯片特指手机端的开关式充电管理芯片。
2）充电线缆
充电线缆的任务就是负责把电压/电流从适配器端传送到手机端，由于目前绝大多数充电线实际上就是USB线。这里有一个参数需要提请大家注意。按照USB2.0的标准，线缆需要具备传送最大1.8A的电流能力，因此如果是5V的适配器，USB2.0的线缆最大能传送的功率其实只有9W。
3）快充芯片
它的任务是把适配器的5V/9V/12V等电压转换成电池的电压，同时按照需要的充电电流精确可控地向电池进行充电。从技术上看，快充芯片是这四个环节中最具有挑战的部分，因此目前业界有能力提供高品质高可靠性的快充芯片的厂家十分有限，主要还是以德州仪器，仙童半导体等少数几家国外大厂为主，国内的希荻微电子、汉能经过几年坚持不懈的自主研发，已推出了一系列的快充芯片，打破了国外大厂的垄断局面，并已在各大手机方案商和品牌商得到广泛的应用。快充芯片具体的介绍将在下文做详解。
4）电池
电池是这个环节非常重要的部分，整个充电环节都是为了使电池快速而安全地充满电量。电池的主要参数包括：容量（mAH，手机中常见的有2000mAH, 3000mAH和4100mAH），充电截止电压（目前常见的有4.2V, 4.35V和4.4V规格，更高的充电截止电压，在同等的电池体积情况下，通常具有更高的电池容量，因此目前所谓的4.35V及以上的高压电池逐渐在手机上得到更广泛的应用），以及可接受的最大充电电流等等。其中，可接受的最大充电电流一般以nC来表示。例如一个3000mAH的电池，1C的充电速度是指一个小时之内即可充满电池，此时可接受的最大充电电流就是3A；如果允许2C的充电速度，那么理论上半小时就可以充满电池，则此时可接受的最大充电电流即为6A；以此类推等等。
二、 经典的三段式充电
其实给锂离子电池充电的过程和我们生活中用水龙头向洗脸盆放水的过程非常类似：
第一阶段：当开始给一个空的脸盆放水的时候，为了不让水溅出来，会把水量控制得很小；
第二阶段：等到脸盆底部积满了一定水位之后，才把水龙头开得比较大，脸盆里已有的水可以对这样急速的进水起到缓冲作用，从而不会有水花溅出；
第三阶段：当水位快到脸盆顶部的时候，此时我们又会逐渐减小进水量，以防止有水冲出脸盆之外，直至积满整个水盆。
电池就像这个脸盆，只不过它储存的不是水，而是电荷。电池的充电也有类似的三个阶段：
第一阶段：涓流充电。电池的特点是，当电池电压（大致相当于水位）非常低的时候，其内部的锂离子活动性较差，内阻较大，因此只能接受较小的充电电流（一般在30到50mA左右），否则电池容易发热和老化，不仅损害电池寿命，而且有潜在的安全问题，因此把这个阶段称为涓流充电，也有同行将之称为线性充电或者预充电等等。
第二阶段：恒流充电。当电池电压高于2V以上，电池的锂离子活动性被充分激活，内阻也较小，所以能够接受大电流的充电。在这个阶段，快充芯片会按照设定向电池提供可接受的充电电流，因此在这个阶段电池得到的电量也是最大的，可以占到容量的70%到80%以上。
第三阶段：恒压充电。电池是一个十分娇气的储能元件，它的电池电压不允许超过截止电压的±50mV，否则就会有安全隐患。因此，当电池电压被充到接近充电截止电压的时候，快充芯片必须能够自动减小充电电流，控制“水花”不要超出范围，直至把电池完全充满。
一个合格的快充芯片，必须能够根据电池电压的高低，自动地控制充电过程在上述三个阶段之间进行无缝切换，而无需其他硬件或者软件的帮助。
三、快充技术标准
常见快速充电技术可分为两种
高压快充：通过提高电源适配器输出电压来提高终端充电功率和速率
低压快充：通过提高电源适配器输出电流来提高终端充电功率和速率
国产手机增长迅猛，取得话语权。随着华为、OPPO、Vivo等国产手机厂商在全球份额不断扩大，中国厂商产业链整合能力提升，将可以取得快速充电市场的主导权。相比高压快充方式，低压大电流在实现同样功率下效率更高，充电器和手机发热更少，将占据市场主流。
快充标准又有如下

1）高通：Quick Charge（属于高压快充）

2）联发科：Pump Express Plus（Pump Express 1.0和2.0版本是高压快充路线，从Pump Express 3.0开始移到低压快充上来）

3）OPPO：VOOC方案（属于低压快充）

4）华为：兼容QC2.0协议和海思快充协议华为快充技术

5）USB开发者联盟：Power Delivery

6）VIVO：双引擎闪充

7）联想/摩托罗拉：Turbo Charger

8）三星：自有快充方案

9）苹果：20V 快充技术

                               
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1、高通的QuickCharge方案（如QC2.0、QC3.0）
高通QuickCharge采用高压快充标准。得益于在手机处理器端的统治级地位，目前有超过100种智能手机都采用高通Quick Charge的方案。小米4C，小米note，三星等主流品牌均在采用此充电技术。这与目前高端智能手机所采用的平台有相当关系。
另外，这种技术相对简单，实现起来相对容易，成本提升不明显，市场较容易接受。高通QC充电技术有两个版本，分别是QC2.0和QC3.0，现在QC3.0的手机还很少，普遍还是QC2.0。QC3.0采用高压快充技术，通过3.6~20V动态可调节电压和最大3A电流以实现最大36 W充电功率。同时，QC 3.0采用了最佳电压智慧协商(INOV)技术，可让受电装置自行判断，以最适合的功率级别进行充电，将能源转换效率最大化。
2、联发科Pump Express Plus
联发科Pump Express快充技术与高通QC2.0虽在实现方式上有所不同，却有异曲同工之妙。高通QC2.0是通过USB端口的D+和D-来个信号实现调压，而联发科的Pump Express快充技术，是通过USB端口的VBUS来向充电器通讯并申请相应的输出电压的。QC2.0是通过配置D+和D-电压的方式来通讯，Pump Express是通过VBUS上的电流脉冲来通讯，但最终的目的是提升充电器的电压到5V，7V，9V。
3、OPPO VOOC方案（属于低压快充）
称自己研发的快充技术为“VOOC闪充技术”，也是最神秘的快充技术，目前只有OPPO的几款产品在用，即Find 7和N3等，由于OPPO对此技术有专利限制，其它手机厂商只能叹为观止，且成本相对较高，充电器体积较大，便携方面没有其它快充技术的好。
OPPO的VOOC闪充技术与传统充电最大的区别在于，创新性的将充电控制电路移植到了适配器端，也就是将最大的发热源 移植到了适配器。这样控制电路在适配器，而被充电的电池在手机端，充电时手机发热得以很好的解决。为了更好的对充电流程进行控制(比如控制电路需要实时监测电池电压、温度等)，OPPO特别在适配器端加入了智能控制芯片MCU，适配器端实现了充电控制电路，智能控制充电的整个流程。
4、兼容QC2.0协议和海思快充协议华为快充技术
最近，荣耀发布了10000mAh快充移动电源。这款电源可以在3.5小时内完成100%的充电量，半小时内即可给荣耀7充电50%。大体配置如下：高密度 聚合物电芯、支持18W(MAX)双向快充、兼容海思FCP及其他主流快充协议、支持Type-C或USB输出。
相关评测证明，该款电源可以为华为P9充 电2.3次、为荣耀V8充电1.9次，为三星S7充电2.3次，可为iPhone6S充电4次。从双向充电性能及相关数据来看，这款产品应该算是国内移动 电源市场的旗舰级产品了。

                               
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荣耀这款快充移动电源在实现9V2A双向快充的同时，更支持海思、高通QC2.0、MTK多种快充协议。在独家支持荣耀7、荣耀V8、华为Mate8、P9等支持海思快充协议的华为/荣耀手机挚爱，还兼容高通QC2.0、MTK等快充协议，几乎可以满足市面上所有主流快充手机要求。
四、快充芯片
现市面上使用的电池管理芯片，主要是TI（德州仪器）和Fairchild（仙童半导体）的产品。另外还有Dialog 半导体公司Qualcomm Quick Charge 3.0（QC3.0）芯片组、PI高通QC3.0识别协议芯片CHY103D，汉能也推出一款适用于智能手机的快充芯片HE4120、希荻微也推出快充芯片HL7005应用方案。

1）TI（德州仪器）BQ25895

2）Fairchild FAN501A与FAN6100Q

3）Dialog 半导体公司QC3.0 芯片组

4）Power Integrations CHY103D

5）汉能HE41201

6）希荻微电子HL7005

                               
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1、TI（德州仪器）BQ25895
TI比较有代表性的方案有BQ25895，它的maxcharge技术是将高通QC2.0和联发科的Pump Express，以及TI自身的高性能充电管理做了一次整合，其最大充电电流可达5A，最大输入电压14V，可以很好地支持QC2.0和Pump Express标准的充电器。我们对TI提供的BQ25890 demo板实测，在4A充电时，芯片温度达55度左右（在环境温度25度下测试），差不多有30度的温升，这如果放在手机内部，将会是一个重要的热源。

                               
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TI的maxcharge充电芯片的简易原理图

                               
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BQ25895 评估模块(EVM)

TI的maxcharge充电技术的优点，由于同时兼容高通QC2.0和联发科Pump Express技术，因此也就同时具备了QC2.0和联发科Pump Express的优化点。它缺点也和高通与联发科一样，整体的效率还不是很高，因此发热量较大。
鉴于手机充电部分的发热问题，短时间QC3.0和Pump Express plus还未普及，那么我们是否还有其它方案来减小手机充电发热量呢？答案是肯定的。我们用两颗充电芯片同时对一颗电池进行充电，可以减少单独充电芯片的发热量。下图是BQ25890+BQ25896双Demo实测，设置两颗充电芯片的充电电流都为2A，总共4A对电池充电，充电30分钟后，测到两个芯片的温度分别为42度和40度，室温为25度，芯片温升分别为17度和15度，比单芯片充电方案的温升降低了一半。因此，双充电芯片方案对提高充电效率，减少手机充电发热方面具有很大的优势。

                               
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Q25890+BQ25896双Demo实测

2、Fairchild FAN501A与FAN6100Q
伴随业界充电通讯协议QC2.0问世, Fairchild 也提供了最新的FAN501A与FAN6100Q,快充配套方案,符合Qualcomm制定的QC2.0充电标准,以搭配高阶手机运用。该方案适用平板计算机与智能手机，符合QC2.0快充标准, 提升40%充电速度，具有高效率, 平均效率>85%。而且具有高功率密度, 变压器小型化。
其线路图及方案方块图如下：

                               
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3、Dialog 半导体公司QC3.0 芯片组
Dialog半导体公司近期宣布，其Qualcomm Quick Charge 3.0（QC3.0）芯片组现已开始量产。该芯片组的独特之处在于提供恒定的功率分布图（power profile），以便于配置。该芯片组与QC2.0芯片组引脚兼容，有助于简化升级，并将继续扩大Dialog在快速充电市场上的领先地位，目前Dialog在该市场占据的份额据估计为70%。

                               
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4、Power Integrations CHY103D
Power Integrations宣布推出的ChiPhy充电器接口IC产品系列的最新器件CHY103D，是首款兼容Qualcomm Inc.旗下子公司Qualcomm Technologies，Inc.所开发的QuickCharge(QC)3.0协议的离线式AC-DC充电器IC。
与Power Integrations的InnoSwitch AC-DC开关IC一起使用，CHY103D器件可提供支持QC3.0所需的所有功能。QC3.0协议与CHY103D器件的完美结合可极大降低智能移动 设备在快速充电过程中所产生的损耗。这一特点允许系统设计师选择提高手机的充电速度或是降低手机在充电过程中的触摸温度，并且提高充电过程的效率。
该IC能够使电压以200mV的增量发生变化，而不是当前许多快速充电设计中所采用的更大阶跃（例如，从5V到9或12V），因此可提高充电效率并降低热耗散。此项技术能够让移动设备优化离线式充电器的供电电压，从而最大程度地降低手机内部充电管理系统中的功耗。
CHY103D具有丰富的保护功能，包括可防止输出超过设定输出电压的120%的自适应输出过压保护(AOVP)、可检测局部短路并停止功率输出以防止 电缆和连接器过热的输出软短路保护(OSSP)以及可在检测到故障的情况下使受电设备远程关断适配器的远程关断保护(RESP)。
CHY103D器件自身在5V输出时的功耗还不到1mW；当与高效率的Inno Switch器件结合使用时，这种低功耗可帮助设计师满足严格的充电器效率要求，例如，即将实施的美国外部电源联邦标准的修订版。
CHY103D器件适用于平板电脑、智能手机、Bluetooth 附件以及USB功率输出端口等移动设备的电池充电器。同时，它还与Quick Charge 2.0产品兼容。
5、汉能HE41201

                               
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汉能科技股份有限公司推出的一款适用于智能手机的快充芯片，其性能比TI（德州仪器）、Fairchild（仙童半导体）的产品更具优势和性价比。那么这款芯片究竟有何过人之处呢？我们通过比较来看看这款芯片的特点：
从上图我们可以得之，汉能科技主推的这款快充芯片的型号叫HE41201，采用WCSP20的封装格式，与TI 主推的BQ24157/8是PIN对PIN的产品。且该款电池管理芯片也是开关式的电源方案。与线性的电源方案比，开关式的电源方案转换效率更高，发热更小。
6、希荻微电子HL7005

                               
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希荻微HL7005提供完整的全自动的三段式充电管理：涓流预充电，大电流恒流充电和恒压充电。当电池电压降到内部阈值以下时，芯片自动重启充电周期。如果输入电源断开，芯片将自动进入阻止电池电流泄漏到输入端的高阻模式。当芯片温度达到120℃时，芯片会自动减小充电电流以防止芯片过热。
HL7005有三个工作模式：充电模式，升压模式和高阻抗模式。在充电模式下，芯片提供单节锂离子电池或者锂离子聚合物电池的精准充电系统。在升压模式下，芯片将电池电压升高至5.0V由VUSB作为输出来为OTG设备提供电源。
在高阻抗模式下，芯片停止充电或者停止升压，呈现一个高阻抗状态，此时从VUSB端和电池端消耗的电流都很小。当手持设备处在待机状态时，此模式可以有效地减少功耗。主机通过I2C与HL7005进行通信（即所谓的主机模式或者32秒模式），可以使芯片在不同的工作模式下实现平稳切换。在没有I2C主机时，芯片会启动30分钟安全定时器并进入30分钟（默认）模式。在30分钟模式工作期间，HL7005将基于寄存器的默认值给电池进行充电。
下图是HL7005的功能框图：

                               
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HL7005工作示意图

HL7005以其优异的品质和性能，通过了MTK、展讯、联芯等多家平台厂商的测试认证，列入参考设计。