基于雙電芯電池的智能手機快速充電技術和改進

廖火生

（聯想 摩托羅拉移動科技（廈門）有限公司，福建廈門，361000）

0 引言

進入移動互聯時代，智能機已經不單單是通訊的工具，它還是游戲機、社交助手、辦公設備，因此，可以說手機是人們生活中不可或缺的一部分。據統計人們每天使用手機的時間超過5小時，而手機能夠被使用的最基本條件就是電池有電，這就造成了有限的電池電量和預期更長的使用時間之間的矛盾。另外 ，隨著技術進步智能手機的性能越來越強，耗電量也不斷的增加，但鋰電池技術進步緩慢，造成鋰電池容量提升緩慢與智能手機功耗的大幅提升之間的矛盾。這些矛盾帶來了一種新的社會“病”—電量焦慮癥。因此，在鋰電池技術沒有突破的前提下，各大智能手機廠商不斷地升級手機的充電技術，用于解決這種電量焦慮癥。特別是近幾年快速充電技術進行了多次快速迭代發展，在電荷泵和氮化鎵半導體充電器等技術的加持下，快速充電技術有了飛速進步。目前市場上已經量產商用的快充技術方案種類繁多，標準不一：按協議標準分有高通的QC快充，聯發科的PE快充，還有 USB–IF 協會主推的 PD 快充；按充電功率分從20W至100W不等；按輸入電壓電流大小可以分成高壓低電流快充和低壓高電流快充；按電池分為單電芯和雙電芯[1]。

1 智能手機單電芯快速充電設計方案

市場上主流功率在20W至50W間智能手機產品的快充技術大部份采用單電芯電池，整個充電電路主要由USB連接器、開關型充電芯片、通用電源管理芯片PMIC、鋰電池、電量計等基本功能單元組成。對鋰電池的充電是需要特別小心的，因為錯誤的充電方法可以縮短電池壽命、對電池造成傷害，甚至可能造成安全問題。鋰電池安全充電策略過程分三階段：

（1）涓流充電（也叫預充電)，這時候的電池電壓低于某個閾值，充電電流必須很小，預充后可以使電池進入可以接受大電流充電的狀態。對于死電池，預充電還有解除電池保護電路的欠壓保護狀態的作用。

（2）恒流充電，這階段按照預先定義好的恒定大電流為電池持續充電，電池電壓逐漸上升，直到電池額定充電電壓。

（3）恒壓充電，當電壓達到電池額定電壓的時候，充電就要從恒流切入恒壓，充電電流逐漸下降，電壓需要進行精確的控制以避免對電池的過充和可能導致的危險。

Type C接口成為了市場主流，特別是旗艦智能機的標配。其最大的優點是支持正、反轉盲插，有完全取代Micro B接口的趨勢。根據規范Type C接口支持USB3.0全功能，并兼容USB2.0。

智能手機使用的通用電源管理芯片PMIC，除集成電感型開關充電管理單元，通常還集成系統供電管理，開關機管理，Type C / PD控制器，馬達、背光驅動用戶接口等。市場上 單顆PMIC功率通常限制在20W以下、功率轉換效率也較低（一般90%以下）。為了增大充電功率，提高功率轉換效率，加快充電速度，提升充電溫升體驗，建議并聯一顆、或兩顆開關型專用充電芯片。開關型專用充電芯片有電感式和電容式兩種類型[2]。

（1）電感式充電芯片，跟通用PMIC的功率轉換效率接近，受效率限制，充電功率做到30W以上，發熱也比較嚴重，用戶體驗欠佳，不作詳述。

（2）電容式充電芯片，又稱為電荷泵充電芯片。電荷泵電路利用飛電容把能量從輸入轉移到輸出，所以電荷泵電路只需要電容不需要電感。電荷泵工作原理[1]如圖1，推導如下：

圖1 電荷泵工作原理

電荷泵充電:Q1, Q3閉合，Q2, Q4打開，輸入電荷對飛電容Cfly充電，Cfly和電池串聯。

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電荷泵放電:Q1, Q3打開，Q2, Q4閉合，飛電容電荷輸出對電池充電，Cfly和電池并聯。

得到：電荷泵輸入、輸出電壓2：1關系。相反地，輸入、輸出電流1：2關系。

電荷泵電路采用電容儲蓄能量，不同于電感充放電，電荷泵充放電效率達95%以上。因此，智能手機要做到30W以上充電功率，建議使用一或兩電荷泵充電芯片與通用PMIC并聯，在恒流階段使用電荷泵進行大電流充電；而涓流充電和恒壓充電兩個階段關閉電荷泵，使用PMIC進行小電流充電。為什么恒壓階段不繼續使用電荷泵充電呢？最重要的原因是這階段充電電壓需要進行精確的控制，不能超過充電安全電池電壓，而電荷泵輸出電壓不及電感型輸出電壓穩定。并且在恒壓階段，進入電池的電流逐步減少，但電壓恒定，那么電荷泵的輸入電流逐步減少，充電導線的線損壓降減小，電荷泵輸入電壓降低，進而導致電荷泵輸入、輸出電壓達不滿足2：1的關系，就得去調節充電器輸出電壓，但充電器輸出電壓調節的實時性達不到達到精確控制的安全要求。

當前單電芯鋰電池的充電限制電壓在4.5V以下，安全電流也不被允許超過10A的，根據公式：功率 P = U（電壓）＊ I（電流），可以得出結論：常規單電芯電池的充電功率一般不會超過50W。雖然50W高功率基本可以達30分鐘充滿手機的速度，這個速度已經夠快，但是要讓充電真的變成“無感”，還得更快。于是，100W功率雙電芯超快閃充技術橫空出世。

2 智能手機雙電芯快速充電設計及改進方案

智能手機雙電芯串聯電池設計突破了單電芯電池的充電電壓限制，以雙倍電池電壓進行充電，達到充電功率翻倍的目的。另外 ，從安全性來說，由于只提高了充電電壓，充電電流仍然跟單電芯一樣。因此，雙電芯充電功率達到100W并可在20分鐘以內充滿手機，仍保證了單電芯一樣的安全性。如圖2所示。

圖2 雙電芯快充及系統供電框圖

（1）串聯雙電芯使輸入電池的最大電壓為單電芯的兩倍：2＊VBAT。

（2）電荷泵(4：2)將輸入電壓由4倍單電池電壓降為2倍單電池電壓，用于恒流快充階段。

（3）電荷泵(2：1)將雙電池降壓為單電池電壓，通過PMIC給系統供電。升降壓芯片支持電池輸出供電通路的開關切換。

（4）升降壓開關充電芯片，負責100W充電的涓流充電和恒壓充電階段。同時通過降壓功能兼容50W以下快充；通過升壓功能兼容10W普通充電。

（5）通用電源管理芯片PMIC不提供電池充電功能。

雙電芯電池設計雖然在物理結構上具備天生優勢，使充電功率翻倍，但電池輸出給系統供電電壓也翻倍了，需增加降壓芯片進行降壓以滿足系統供電需求，但這個“為了降低電壓而降低電壓”的措施不僅增加電能損耗，而且增加硬件成本。因此本文提出一種雙電芯改進型設計方案，如圖3所示，雙電芯支持串聯和并聯兩種物理連接的動態切換。

圖3 雙電芯充電及系統供電框圖

（1）當且僅當進行百瓦級恒流充電時，雙電芯處于串聯狀態，電荷泵工作于4：2降壓模式，將充電輸入電壓降壓滿足串聯電池充電電壓2＊VBAT，而PMIC充電輸入端關閉不充電。

（2）當百瓦級恒流充電完成后，雙電芯切換為并聯狀態，電荷泵工作于2：1降壓模式，與PMIC并聯完成后續階段的充電工作，無需升降壓充電芯片。

（3）當用戶使用非百瓦級普通充電器，雙電芯切換為并聯狀態，電荷泵也工作于2：1降壓模式，與PMIC并聯完成普通快通所有充電策略過程，也無需升降壓充電芯片。

（4）系統供電PMIC都只取1＊VBAT電壓作為供電電源，無需降壓供電芯片。

3 結論

綜上所述，在現有快充技術如雨后春筍般出現的背景下，雙電芯快速充電改進型設計方案在Moto折疊屏Razr項目實現量產，解決了電池技術進步緩慢的問題，它能夠在電池體積、容量、電壓、最大電流受限制的情況下提升智能機的充電速度，并且能夠保證手機的壽命不會受到影響，也從側面加快了物聯網在生活中的普及。該方案達到百瓦級充電功率的同時，不僅提高電了能使用效率、節約了硬件成本，而且保證充電安全性，必將加快智能手機百瓦級充電的普及速度。也在功能上給了用戶更好的使用體驗。