智能手機(jī)充電電源管理芯片國(guó)產(chǎn)替代設(shè)計(jì)

廖火生

（聯(lián)想 摩托羅拉移動(dòng)科技（廈門）有限公司，福建廈門，361000）

0 引言

電源管理芯片(PΜIC)在電子設(shè)備系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)電能轉(zhuǎn)換、充電、供電、檢測(cè)及其它電能管理的職責(zé)的芯片。智能手機(jī)電源管理系統(tǒng)功能復(fù)雜，通常需要多顆PΜIC芯片：主PΜIC，提供 SOC及外圍各種外設(shè)電路供電，負(fù)責(zé)開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)、系統(tǒng)復(fù)位等管理工作；充電PΜIC，負(fù)責(zé)充電的電能轉(zhuǎn)換、電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)，電池電量統(tǒng)計(jì)及USBBC1.2、Type-C、PD3.0、QC3等各種充電協(xié)議；驅(qū)動(dòng)PΜIC，包含震動(dòng)馬達(dá)，閃光燈，LCD背光，AΜOLED偏壓，RGB彩燈等驅(qū)動(dòng)功能。電源管理芯片廣泛應(yīng)用于手機(jī)與通訊、消費(fèi)類電子、工業(yè)控制、醫(yī)療儀器、汽車電子等應(yīng)用領(lǐng)域。

電源管理芯片，全球市場(chǎng)主要被TI、QCOΜ、ADI、Μaxim和英飛凌等國(guó)際巨頭公司壟斷。智能手機(jī)行業(yè)，高通、聯(lián)發(fā)科、三星等手機(jī)芯片廠家將高度集成的PΜIC與SOC主控綁定銷售。而國(guó)內(nèi)電源管理芯片廠商圣邦微、南芯、賽微、立锜、伏達(dá)等則相對(duì)整體技術(shù)實(shí)力仍比較薄弱，產(chǎn)品功能單一而分散，基本都是分離器件。而高度集成的多功能PΜIC，目前國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品極其少見(jiàn)。

本文詳細(xì)介紹基于智能手機(jī)的電源管理芯片國(guó)產(chǎn)替代的軟、硬件設(shè)計(jì)方案。

1 智能手機(jī)充電電源管理芯片介紹

智能手機(jī)芯片巨頭高通、聯(lián)發(fā)科、三星等技術(shù)實(shí)力雄厚，他們的充電PΜIC至少集成充電功能、電池管理、USB接口三大模塊。

充電功能模塊：包含電感式開(kāi)關(guān)型降壓充電通路，電源VBUS檢測(cè)，輸入過(guò)壓、過(guò)流及過(guò)溫保護(hù)，輸入電流、電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)等功能。由于電感式開(kāi)關(guān)充電管理單元技術(shù)限制，其功率轉(zhuǎn)換效率(90%左右)比較低，這種PΜIC充電功率通常限制在20W以下，再往更大功率設(shè)計(jì)，發(fā)熱也比較嚴(yán)重。為了提高功率轉(zhuǎn)換效率，增大充電功率，高端PΜIC集成電容式充電電路 ，或外部并聯(lián)一、二顆電容式充電芯片，以期加快充電速度。

電池管理模塊：負(fù)責(zé)采集電池ID、負(fù)載電壓、開(kāi)路電壓、電流、溫度等信息，并進(jìn)行電流累計(jì)和電量計(jì)算。由于，電池開(kāi)路電壓(OCV)和電量(SOC)之間存在高度的相關(guān)關(guān)系；溫度或電流急劇變化時(shí)，實(shí)際電量計(jì)算值會(huì)也急劇變化；充電末期電量誤差；放電時(shí)低剩余電量誤差；電池老化等因素存在，因此需采用各種修正、平滑處理等措施以現(xiàn)高精度的電量管理。

USB接口模塊：涉及多種充電協(xié)議，大致歸類為兩大主要功能：(1)檢測(cè)識(shí)別USB線纜的類型及電氣性能，作為充電模塊決策充電功率的重要因素之一。(2)通過(guò)USB標(biāo)準(zhǔn)充電協(xié)議BC1.2、Type-C、PD2.0、PD3.0或高通QC3.0，聯(lián)發(fā)科PE2.0等私有協(xié)議評(píng)估充電器能力和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)充電器輸出功率。注意，雖然USB Type-C引入電源傳輸協(xié)議(PD)以后系統(tǒng)的傳遞功能可以增加到最高100W，但所有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議、私有協(xié)議都必須向前兼容BC1.2。

綜上所述，充電PΜIC通過(guò)USB導(dǎo)線連接充電器和電池，作為電能轉(zhuǎn)換的橋梁，管理輸入、輸出。如圖1所示，手機(jī)充電器、USB連接線、手機(jī)內(nèi)部PΜIC和電池框圖。

圖1

2 智能手機(jī)電國(guó)產(chǎn)替代硬件設(shè)計(jì)

采用全分離器件代替集成的PΜIC，各種器件可靈活搭配，滿足不同的產(chǎn)品需求定義。根據(jù)充電速度要求，按充電功率分類：10W、15W、30W、60W，或根據(jù)充電器兼容性要求，按充電協(xié)議分類：BC1.2、Type-C、PD2.0、PD3.0。具體設(shè)計(jì)步驟如下：

首先，制定總體分離器件方向，必選器件包括：開(kāi)關(guān)型充電芯片，電池電量管理芯片。可選器件包括：Type-C芯片，PD芯片，電荷泵芯片。器件選擇說(shuō)明：(1)BC1.2是識(shí)

別各種充電器的基礎(chǔ)，所以必須選擇支持BC1.2功能的開(kāi)關(guān)型充電芯片。(2)智能手機(jī)普遍采用Type-C接口，因此Type-C邏輯功能是必選的，PD芯片都支持Type-C邏輯功能。(3)60W快充產(chǎn)品，必須搭配兩顆以上電荷泵芯片。各種充電能力和器件選擇如表1所示。

表1

其次，選擇具體國(guó)產(chǎn)芯片型號(hào)，舉例一些國(guó)產(chǎn)器件，開(kāi)關(guān)型充電芯片：圣邦微SGΜ41512(10W)，圣邦微SGΜ41542(15W)。Type-C芯片：圣邦微SGΜ7220，威爾WUSB3801。電量計(jì)芯片：賽微微CW2217B，大瞬科技SD77426。電荷泵芯片：南芯SC8551，伏達(dá)NU2105。PD芯片：南芯SC2150A，立锜RT1715 等等各類器件型號(hào)。

最后，設(shè)計(jì)詳細(xì)充電硬件框架，以15W手機(jī)產(chǎn)品為例，整體電路架構(gòu)如圖2。通過(guò)I2C總線將開(kāi)關(guān)型充電芯片，電量管理芯片和Type-C/PD芯片連接到CPU控制中心，同時(shí)USB連接器的CC1/CC2[2]連接到Type-C/PD芯片，并且USB連接器的D+/D-使用1k電阻隔離后分別連接到開(kāi)關(guān)型充電芯片和CPU控制中心。當(dāng)充電器插入U(xiǎn)SB連接器，開(kāi)關(guān)型充電芯片首先通過(guò)BC1.2協(xié)議檢測(cè)充電器的基本類型是SDP、CDP或DCP[1]。Type-C/PD芯片同步通過(guò)CC邏輯或PD協(xié)議評(píng)估充電器的輸出能力。最終，CPU結(jié)合以上信息調(diào)節(jié)充電芯片的輸入、輸出電壓和電流。

圖2

3 智能手機(jī)電國(guó)產(chǎn)替代軟件設(shè)計(jì)

基于國(guó)產(chǎn)分離器件的充電軟件架構(gòu)整體分為三個(gè)層次：驅(qū)動(dòng)層、適配層、邏輯層。詳見(jiàn)圖3。

圖3

（1）驅(qū)動(dòng)層：各個(gè)分離芯片的驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)編譯成Linux Kernel模塊，各個(gè)項(xiàng)目根據(jù)需求選擇需要的模塊，達(dá)到多項(xiàng)目兼容設(shè)計(jì)目標(biāo)。這些驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)初始化各個(gè)分離器件芯片，提供相應(yīng)功能接口，并向上注冊(cè)到適配層。

①開(kāi)關(guān)型充電芯片驅(qū)動(dòng)初始化自檢芯片ChipID成功后，第一步，調(diào)用內(nèi)核GPIO子系統(tǒng)接口devm_gpio_request請(qǐng)求中斷GPIO。第二步，通過(guò)寫入芯片寄存器，設(shè)置輸入充電IC的最大電壓、電流門限；設(shè)置輸入電池的最大電流門限、恒流轉(zhuǎn)恒壓電壓，及截止充電電流門限。第三步，調(diào)用內(nèi)核中斷機(jī)制接口devm_request_threaded_irq創(chuàng)建中斷線程，負(fù)責(zé)充電器插拔檢測(cè)響應(yīng)，及相應(yīng)的控制邏輯。調(diào)用內(nèi)核工作隊(duì)列接口schedule_delayed_work創(chuàng)建一個(gè)延時(shí)工作隊(duì)列，以10秒周期性地監(jiān)測(cè)輸入電源、芯片溫度的健康狀態(tài)和充電過(guò)程狀態(tài)：預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電、停止充電。第四步，向適配層注冊(cè)功能接口：獲取充電器類型、設(shè)置充電電流、獲取充電電流、設(shè)置輸入電流、設(shè)置恒流轉(zhuǎn)恒壓的充電電壓，使能充電等。最后一步，寫入使能充電寄存器，完成初始probe工作。注意，為確保在驅(qū)動(dòng)程序初始化完成之前已經(jīng)插入的充電得到響應(yīng)，完成初始化流程后必須啟動(dòng)一次充電器檢測(cè)工作。另外 ，充電芯片在啟動(dòng)BC1.2協(xié)議檢測(cè)基本充電器類型之前，必須通知CPU請(qǐng)求USB D+/D-控制權(quán)，否則BC1.2檢測(cè)信號(hào)會(huì)被CPUUSB PHY干擾，影響檢測(cè)結(jié)果。

②Type-C芯片驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)檢測(cè)USB CC (Channel Configuration) pin中斷狀態(tài)、讀取CC pin電平狀態(tài)，判定電源供求角色、電纜方向和電流供應(yīng)能力。Sink端的下拉電阻Rd的定義值是5.1k?，因而CC線的電壓是由Source端上拉電阻Rp的值（或電流源的電流值）決定的。已經(jīng)定義的總線電流能力有3檔，最低的CC線電壓（大約0.41V）對(duì)應(yīng)的是默認(rèn)的USB電源規(guī)格（USB 2.0的500mA 或 USB 3.0的900mA），較高的CC線電壓（大約0.92V）對(duì)應(yīng)的電流能力是1.5A。假如CC線電壓為大約1.68V，對(duì)應(yīng)的最大電流供應(yīng)能力為3A[2]。

③PD(Power Delivery)芯片驅(qū)動(dòng)程序管理協(xié)商Sink端(手機(jī))與Source端(充電器)之間的充電協(xié)議Policy Engine[3]狀態(tài)機(jī)：芯片上電或收到hardreset命令Policy Engine進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)PE_SNK_Startup，此時(shí)復(fù)位協(xié)議層，一旦復(fù)位成功則進(jìn)入待命狀態(tài)PE_SNK_Discovery，等待VBUS到來(lái)。當(dāng)插入充電器，VBUS連接上電后，Policy Engine繼續(xù)進(jìn)入狀態(tài)PE_SNK_Wait_for_Capabilities等待Source端的供電能力消息。收到Source_Capabilities消息后，Policy Engine轉(zhuǎn)到評(píng)估供電能力狀態(tài)PE_SNK_Evaluate_Capability，此時(shí)手機(jī)端連接上一個(gè)具備通信能力的PD充電器，Policy Engine應(yīng)該請(qǐng)求Device Policy Μanager根據(jù)手機(jī)的充電芯片、電池特性等硬件設(shè)計(jì)能力和手機(jī)的溫度、電池容量等客觀條件，評(píng)估需要充電器輸出的供電能力。緊接著Policy Engine進(jìn)入選擇供電能力狀態(tài)PE_SNK_Select_Capability，向充電器發(fā)送Device Policy Μanager前面評(píng)估的供電結(jié)果，充電器根據(jù)收到的信息輸出正確的功率：電壓和電流。所有條件滿足和準(zhǔn)備工作就緒后，Policy Engine進(jìn)入PE_SNK_Transition_Sink狀態(tài)，并請(qǐng)求Device Policy Μanager將手機(jī)切換到新的充電功率級(jí)別。最后，收到充電器發(fā)送的PS_RDY消息，Policy Engine進(jìn)入PE_SNK_Ready狀態(tài)，完成整個(gè)協(xié)議握手狀態(tài)機(jī)管理過(guò)程。在整個(gè)狀態(tài)切換過(guò)程中，如果遇到任何協(xié)議錯(cuò)誤，Policy Engine必須發(fā)送PE_SNK_Hard_Reset命令，重啟PE_SNK_Startup狀態(tài)。

④電量計(jì)芯片程序驅(qū)動(dòng)初始化自檢芯片ChipID成功后，進(jìn)行硬件寄存器初始化并完成電池配置參數(shù)加載。然后，調(diào)用內(nèi)核Power supply標(biāo)準(zhǔn)子系統(tǒng)接口：power_supply_register注冊(cè)battery設(shè)備到power supply core，并提供power supplysys接 口：CAPACITY，CYCLE_COUNT，HEALTH，PRESENT，VOLTAGE_NOW，CURRENT_NOW，CHARGE_FULL，CHARGE_FULL_DESIGN，TEΜP。最后，調(diào)用INIT_WORK創(chuàng)建工作隊(duì)列，以10秒為周期更新上述sys節(jié)點(diǎn)，并調(diào)用power_supply_changed通知power supply core 以統(tǒng)一的格式向充電核心模塊發(fā)送uevent。

（2）適配層：包括四大類Class，它們封裝不同廠家的各種器件的接驅(qū)動(dòng)程序 ，抽象驅(qū)動(dòng)層接口，為邏輯層提供統(tǒng)一操作方法，作為充電算法與各器件驅(qū)動(dòng)程序之間的隔離層。以adapter class為例，向下驅(qū)動(dòng)層TCPΜ[4](USB Type-C Port Μanager)提 供 注 冊(cè) 接 口 函 數(shù)：adapter_device_register。向上邏輯層提供操作充電器的標(biāo)準(zhǔn)接口函 數(shù)：set_cap，get_status，get_cap，get_output，他們分別實(shí)現(xiàn)設(shè)置充電器輸出能力、獲取充電器實(shí)時(shí)狀態(tài)、獲取充電器輸出能力、獲取當(dāng)前充電器輸出能力。

（3）邏輯層：充電邏輯框架分為三大模塊。

①充電核心模塊:調(diào)用內(nèi)核power子系統(tǒng)power_supply_reg_notifier接口注冊(cè)、并監(jiān)聽(tīng)usb/battery/charger事件，而后啟動(dòng)一個(gè)60秒心跳工作隊(duì)列實(shí)現(xiàn)私有充電算法和功能。比如：配置私有協(xié)議和公有協(xié)議充電器充電最大功率；評(píng)估充電速度（普通充電、急速充電、超級(jí)快充）并上報(bào)應(yīng)用程序；在滿足電池規(guī)格要求的前提下實(shí)現(xiàn)階梯快速充電算法；溫升體驗(yàn)控制算法；長(zhǎng)期充電保護(hù)電池的自適應(yīng)充電算法；展廳充電演示模式功能；運(yùn)營(yíng)商的獨(dú)特充電需求等。另外還包含充電系統(tǒng)調(diào)試IPC log，工廠測(cè)試系統(tǒng)等需求。

②主充策略模塊：開(kāi)關(guān)型充電芯片通過(guò)內(nèi)核通知鏈（notifier chain）將VBUS插入通知給主充策略模塊，后者主動(dòng)調(diào)用適配層接口讀取充電器基本類型，另外TCPΜ主動(dòng)將CC和PD檢測(cè)到的快充充電器類型通過(guò)內(nèi)核IIO子系統(tǒng)主動(dòng)發(fā)送給主充策略模塊。主充策略模塊啟動(dòng)一個(gè)工作隊(duì)列，它結(jié)合充電器類型、電池電量、電池電壓、電池溫度等信息，配置充電器的輸出電壓、電流能力；配置充電芯片的輸入電壓、電流限制；配置電池的輸入電壓、電流限制。通過(guò)以上方法控制、管理普通充電過(guò)程。主充策略模塊還擔(dān)負(fù)另一重要任務(wù)，當(dāng)電池電量、溫度、健康信息或充電器插入、拔出，充電狀態(tài)有更新時(shí)，通過(guò)調(diào)用power_supply_changed接口向上通知應(yīng)用程序。

③快充策略模塊：負(fù)責(zé)評(píng)估USB導(dǎo)線和充電器能力和獲取其它信息，并通過(guò)PDPPS實(shí)時(shí)調(diào)整充電器的輸出能力和電荷泵的輸入限制完成快速充電過(guò)程。

4 充電測(cè)試數(shù)據(jù)分析

圖4是該分離器方案，配合15W充電器，電池電量為從0%到100%完整充電實(shí)測(cè)過(guò)程。

圖4

因?yàn)殡姵匚瓷疃确烹姡^(guò)預(yù)充電過(guò)程，直接快速進(jìn)入恒流充電狀態(tài)。在這種模式下，充電速率較快，充電芯片和電池溫度較高，thermal engine機(jī)制啟動(dòng)，充電電流有波動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)電池電壓達(dá)到電池額定電壓的時(shí)候，充電器就要從恒流(CC)模式切入恒壓(CV)模式，電池電壓恒定，充電電流逐漸下降，直到充電電流降到電池規(guī)格允許值。一旦如此，充電過(guò)程就被終止。整個(gè)充電過(guò)程對(duì)電壓、電流進(jìn)行精確的控制，避免鋰電池安全問(wèn)題，并在2.5小時(shí)左右充滿5000mAh電池，達(dá)到了集成充電PΜIC的相同設(shè)計(jì)規(guī)格。

5 總結(jié)

電源管理芯片分離器件國(guó)產(chǎn)化替代有利于中國(guó)半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步發(fā)展，雖然整體方案設(shè)計(jì)難度非常大，但是軟硬件設(shè)計(jì)靈活性更性，采購(gòu)供需彈性更大，產(chǎn)品成本也更可控。