摘要：本文介绍了手机快速充电IC的设计考虑，除了手机，还可应用于平板电脑、无人机等领域，并重点分析了TI公司MaxCharge实现快充的方法。电芯如果采用快充电芯，MaxCharge的bq25892芯片可以做到1.5C电流，34分钟可以从0%充到80%。
1 电池容量迅速提升
(资料图片)
由智能手机电池的发展趋势(图1)可见，这两年电池容量有所突变。据德州仪器(TI)电池管理产品(BMS)大中华区市场和应用部门经理文司华介绍，电池容量的突变并不在于电池密度是否有显著提高，而在于手机的屏幕变大了，所以电池容量、电池空间增大。另外，电池电压也在不断提高，原来都是4.2V电池，现在变成4.35V，今年有厂家在做4.4V电芯。电压提高的原因是：电芯每增加0.1V，能让电池续航时间提升5%~8%左右。
2 传统的充电设计观念
现在第五代手机(尤其是Android手机)的电池容量能做到3000mAh，对整个系统构架带来挑战，用原来的适配器去充电已经落伍了，以前的适配器，USB 2.0是5V输出，0.5A电流，合计2.5W，现在对智能机有点慢。很多标配的适配器是5V/1A，包括苹果iPhone 5以前也是如此，这已算不错，但也只有5W。对于Android手机，三星以前的Galaxy S4 2600 mAh应该是不够的，S4充电电流是1.5A以上，适配器从5W一直在往上升，真正的BC 1.2(Battery Charging 1.2)协议，包括国标在内的标准适配器是5V/1.5A，就是7.5W。但这对3000mAh的电芯还是不够的。因为电池充电速度其实和电池大小没关系。例如，当智能手环上的电池只有200mAh，是不是用一个输出电流更大的适配器就能让它充得更快?其实不然，因为电池充电是要符合电芯厂规定的最大许可C倍率的。200mAh产品，1C等于200mA，只要把容量拿出来，mAh的小时(h)拿掉，就是1C。通常比较安全的充电速率都是0.5C，但其实0.7C也是很安全的，而且大部分手机可以做到0.7C。所以，不管电池多大都用0.7C充电，其实充电时间是一样的，很大的电芯用0.7C充电，3个多小时也能充满，很小的电池也必须用3小时充满，不能提高得更快。以上是以前的观点。
3 快速充电的两种途径
现在问题来了，如果用3000mAh的电池，要用0.7C充的话，要用0.7×3000=2.1A。但2.1A已经突破适配器的电流，因为常规的适配器是5V/1.5A，2.1A已经突破极限了。所以3000mAh的Android手机的充电时间就会变慢，这是由于快充时，一方面现在的适配器都不能够支持正常的大电量充电，因此充电速率变慢了;另一方面怎样把3个小时再缩短?例如，希望用10分钟把20%的电量充到80%?需要把常规的3.5小时以上缩短到1小时或1.5小时，这是真正的提速和快充。
解决方案的一个关键是提高电流。由于传统的USB输出功率受限，输出电压只有5V，所以出现一个瓶颈，充电线的粗细程度有一定的规范，普遍不能支持2A的电流，原因在于线的阻抗是固定的，电流再大，根据P=I2R，线阻的功率损耗较大，尤其转接头上也有一定的接触电阻，因此有些厂家的方案是配备特殊的线缆，有更小的阻抗。所以，电流增大是个途径，但是必须付出一些代价。例如，去年OPPO推出的闪充，其线材、适配器都是特殊的，这是一种方法。
另一个方法是通过升压的方式，这是目前关注度最高的。而且今年很多量产的手机新品会带有快充，从1C到1.5C不等，国产厂商也一定会有这种方案。以下详细介绍这种升压方案。
升压方案可以把适配器的5V电压提升。之前市场已经有类似的方案，只不过今天我们是从手机内部的Charger(充电)IC角度来看，当适配器能升到7V、9V、12V时，Charger IC怎样应付这种情况。例如，TI的MaxCharge bq2589x是第一款高压输入(最大正常工作电压14V)大电流(5A)充电芯片，它的一个优势是能提升功率而不增加损耗，因为P=UI，在提升电压的同时，功率随之提高，但由于电流没有改变，仍然在2A以下，线缆可以不用换，适配器接口也不用换。
4 手机主板上的快充IC
USB线缆连接到手机上遇到的第一颗芯片叫Charger IC，是放在手机主板上的(图2)。
TI的MaxCharge可以独立识别并兼容普通5V以及更高电压输出的专有适配器。独立识别的意思是，实际上识别高压适配器有很多种方式，比如你可以通过AP(应用处理器，即主芯片)。独立的意思，Charger IC作为主板门户IC能够不需要任何其他芯片的介入，自己就能够识别是5V适配器还是更高电压的适配器。原因是支持D+/D-信号以及VBUS电流脉冲两种适配器的握手信号。
因此，MaxCharge芯片的好处，首先是能够通过支持高输入电压支持快速的充电体验。我们可以把充电IC想象成黑盒子，输入端的功率和输出端功率中间有9%~10%效率损耗，输入端如果电压提升的话，整个输入端功率也会相应提升，输出端是单节锂电池(现在手机、平板大都是单节锂电池，3.7V左右)的电压是固定的，3V~4.2V~4.3V，平台电压一般是3.7V，如果计算，例如输入端功率是7.5W，5V/1A的适配器，假如100%的效率，输出端的电流约是2A。因为输出的电池电压是3.7V、3.8V平台电压，所以：7.5/3.7≈2A。
假如今天是9V/1.5A，即已经升压了，9×1.5=13.5W，输出端如果效率可以达100%，那么输入端电流能够提升。由此可见，在输入电压提升时能够实现快速充电。TI MaxCharge是业界第一款能够同时实现支持5A充电电流和14V输入电压的芯片。
需要说明的是，输入是从外部的适配器过来的，一般是5V。有些适配器可以有高压输出，但通常默认是5V输出，但通过握手协议之后，就会变成高压。当主板(包括AP和Charger IC)使能以后，允许输出高压它就可以输出高压了，所以这个高压是适配器给出来的。
为何平台电压会有3.7V~3.0V变化?可以把电池想象成一瓶水(如图2最右侧)，电流相当于水管的粗细程度，变粗就更快了。水杯的高度是电压，只不过水杯是中间粗、两边细的不规则形状，因此开始充得很快，但中间区域内呆的时间很长，很大的就是3.7V的平台电压。这时候电流如果变得大，注入时间就很快。所以此时快充的突破点是：为了快充，提高了电流。
TI的方案是经MaxCharge转换后电流变大。MaxCharge能支持5A充电电流，14V输入电压。5A是最大的标称值，通常使用时会考虑到各种情况，比如散热和电池容量，所以3A~5A就可以做到这样一种平均的输入电流。
5 快充的效率
充电IC普遍效率是88%、89%，TI MaxCharge bq2589x系列可在3.5A提升到91%，这等于有2个百分点的提升。由于效率的提升，在TI的实测中，温度上升得很低，室温下，测试板上温度仅仅上升18℃，以前要上升30多℃。
温升直接决定了用户体验。因为现在手机的适配器、主芯片、电池充电的温升/散热是很重要的技术瓶颈。所以很多设计体验，由于散热不佳不得不采取折中办法。
6 放电
今天的Charger IC设计，所有的MOS管都集成在里面，采用串联电路，这样充电时要经过MOS管，但放电的时候会受到限制，放电时要通过一个MOS管(Q4)。
图3是charger IC的主流架构图，左侧是适配器的输入端，通过电感电流流进入，最后进入右侧大IC里再充电。现在用手机打电话时，放电过程一定要通过Q4元件，TI MaxCharge bq2589x的特色是，放电电流可以支持得很大，因为Q4的MOS管的阻抗值只有11mΩ(表1)，堪称业界最低的阻抗。打电话进来，主要是功放工作，因为你要搜寻GSM信号时要把功率调得很大，接收塔才能接收到。因此电路这边需要很大的瞬态电流(尖峰电流)。MaxCharge的Q4阻抗很小;如果是其他的设计方案，由于内置Q4 MOS管的阻抗不够小，它里面还要再加元件，增加了成本。
具体来看，图3的电线是有阻抗的，其实IC里也有电阻，这些电阻会增加损耗。如果不计成本，这些阻抗越小越好(注：MOS管阻抗越小IC成本越高)。TI能在相应成本之下把阻抗降到市场最低，这是MaxCharge最大的亮点。以前5V时，电池充电到3.7V~4V，5V、4V和3.7V差异很小，一个5V到右侧3.7V实际差异不大，因此Q3导通的时间很短，这是切换电路：Q2-Q3，Q3-Q2两个交替切换，实现能量高效率转移。以前5V时，Q2的导通时间是最长的，所以Q2的阻抗要越低越好。
9V到14V差距很大，这要求Q2的导通时间要缩短，Q3的导通时间要加长，到了MaxCharge bq2589x，TI第一次把Q3阻抗降得比Q2还要低。Q3阻抗直接降到16mΩ(如表1)。这也是MaxCharge区别于竞争对手的很大差别，即Q3的阻抗直接让MaxCharge的效率有显著提高。
图4是Q2和Q3的损耗，它的切换频率是1.5V，属高频切换，这样的波形一直切换下去进行充电，它的占空比可以从此图看出来。
那么，Q3的16mΩ是怎么实现的?如果看芯片的设计，芯片是在SiO2基板上面做的很多流程。一般MOS管在芯片里占的面积是最大的，众所周知，面积越大电阻越小，电流是垂直穿过去的。要想实现16mΩ，必须要加大MOS管的面积，这样成本也会相应增加。关键在于MaxCharge bq2589x突破了很多设计限制，进行了优化(比如把数字部分缩小一点)，使之与之前的芯片(bq2419x)管脚兼容。
在散热方面，MaxCharge也有一些封装讲究：芯片采用QFN(四方扁平无引线)封装，特点是QFN封装下面有Power Pad(焊盘)。在bq2419x系列之前，手机上的Charger IC最初是集成在PMU里的，采用BGA或CSP封装，等到不得不把Charge分出来的时候，Charger IC也为了节省空间，都用BGA封装。BGA封装，即把晶圆上切割下来的die(芯片)的反面Pad上装上焊球，即die本身就是封装，是最省空间的。MaxCharge之所以采用QFN封装，主要考虑散热，由于QFN封装下面有Power pad，因此封装比BGA大一些，需要焊接在整个电路板上，热是分散的，不是浓缩在一点的。当然，如果电池小的话，也没有必要用大封装快充，也就不需要QFN。
7 快充对电池的寿命影响
两年前TI推出了MaxLife，是为了在快速充电情况下兼顾电池的充电寿命。对于任何一个电芯来说，只要用大电流之后一定会让寿命减少。比如电芯本来有500个循环，用大电流之后，它就只有450个循环。今天的电池技术已经能做到相当多的循环次数，就算用1.5C充电，也能做几百个Cycle(循环)以上。
MaxLife实质上是电量计，利用MaxLife技术实时监控电芯老化特性，具体地，是用电量计控制Charge，Charge初始情况下设置1.5C，但发现电池老化很快的时候可能会把1.5C降下来。
但有些场合不需要MaxLife。例如大平板，平板4000、5000mAh的都有，即要用大电流，就算已经到了3A还不会损坏电池的寿命，还小于0.7C，这样的用户没必要用MaxLife技术。
8 快充适配器
目前的快充是统一的接口，能否快充取决于所用的适配器技术。市场上通用适配技术做不了快充，因为功率限制。适配器必须有升压功能才行，即适配器必须有握手的条件。
9 无线充电可以快充吗?
无线充电能够做到快充，只不过是个系统设计问题。
无线充电的快充，首先一定是高压快充(一定不会是5V的)，因为无线充电的效率要求更加严苛。因无线充电损耗要比有线充电大一些，因此整个线圈损耗要降低，输出要想降低，无线输出电压一点要高过5V才能做到更高效的充电。TI去年年末推出了10W的无线充电——今天最好的适配器也就10W而已。现在iPad2、3也就是5V/1A的充电。
10 IR补偿
高充电电流将在充电路径寄生电阻和内部电池阻抗上引起电压降。较高的阻抗将导致充电过早地进入了恒定电压模式，从而使得充电时间延长。IR补偿把充电器端子电压增至高于电池调节电压(高出的幅度为I x R 压降)，以使充电器能够在恒定电流模式中停留足够长的时间，由此实现快速充电。
具体如图5所示，整个曲线包含的面积单位是mA×h(时间)，即电池的容量，如果电池电压刚开始掉下来时就停止充电，那么电池容量就很小，其实还有一小半的容量没有充满。所以，业界经常谈论的70%、30%的问题，就是花70%的时间充30%的电量，原因是进入到了恒压区;花30%的时间充70%的电量指的是在恒流区，横流区面积很大。最后想真正充满还是需要时间的。除了提升电流之外，绿色线(细线)比红色线充得更快，这是由于MaxCharge使用IR补偿技术，让电池充电过程更多处于大电流恒流区，缩短它的充电时间，所以恒压区就缩短了。仅通过这一项技术，就能实现17%的时间缩短。
究其原因，理想情况下电流是大电容的，用恒流的话，充到4.2V就可以停止了，因为已经充饱了，这是电容的充电。电池是电容+电阻的等效电路，由于电池里内阻的存在，并且电阻在外部也有，所以，充电就不是理想的过程，可以看到既有恒流区又有恒压区，IR补偿的任务是延长恒压区，减少恒流区。
11 电池部门的人员组成
电池部门也是研发人员聚集的重地。以TI公司为例，其BMS部门由七八十名电池专家组成，其中包含化学家和芯片设计人员，他们拥有锂电池管理、充电创新的经验。(注：本文主要根据TI公司BMS部的文思华博士的讲演整理，未经讲演者确认。)
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