针对智能手机的快速充电方案

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前言

早期有一个苹果产生了地球万有引力,现在有一个苹果加速了智能机时代的到来。从去年开始,各大主流基带厂家MTK、高通、博通、marvell、STE等纷纷推出了智能机方案,在2G时代feature phone趋于饱和,并且竞争越来越激烈的同时,各大手机公司纷纷押宝智能机,希望能够抢得先机。可惜的是由于智能机时代还没有哪家公司能够提供像 feature phone时代MTK的tunekey,加上软件驱动人员的严重急缺。智能机成了高投入,回报周期很长的一项投资,使得能够在智能机有所斩获的只能是向华为、中兴等大公司,国内专注PCBA的IDH在智能机有大批量的量产且正在赚到钱的的也就少之又少。

据isuppli统计表明,虽然智能手机在近两年的增长极为惊人,但在全球仍然有70%以上的用户使用的是功能手机,在中国,这一比例则在85%左右。加上国内IDH在智能机研发道路上遇到的诸多挑战,手机芯片巨头联发科也与近期表示,他们相信大多数用户仍喜欢价格相对便宜的功能手机,因此功能手机市场仍有广阔的发展空间。最近,联发科将推出“类智能手机”,让功能手机也能像智能机一样叠加丰富应用。这种类智能机将可支持包括用户接口、上网、大屏全触控,通过这些功能的实现,使得类智能机可以通过网络下载软件,让功能机也能像智能手机一样的不断扩充个性化的应用。

与智能机一样,随着类智能机功能的不断强大,电池的续航能力将会成为其中的一个死角。现实生活中我们可能经常会看到我们周边的朋友随声带两个手机,一台专门用来打电话,一台用来娱乐。因为无论你的手机屏幕有多大,性能配置有多高,电池没电了一切都是浮云。特别在印度等第三世界国家还有很多地方充电也是个问题,2007年印度一家付费电话公司 Micromax的高管注意到了一个新奇的景象。他们发现,在印度东部的一个村庄,人们在一个身后有辆自行车的人面前排起了长龙,这人的自行车上绑着一台车用蓄电池,大家交给他几个卢比后,就可以把自己的手机插上去充电半小时。这些村民的家里没有电。

为了解决电池续航的能力,早期的 feature phone厂家类似像长虹、phillip纷纷研制了大容量电池手机,或者采用艾为双电池单芯片解决方案AW3312的双电池手机。但是这两种应用都对手机的结构提出了较高的要求,为了解决电池的问题,从事手机行业的工程师想出了曲线救国的方式-“快速充电”来解决类智能机时代的电池问题。

手机实现充电三要素

手机上要实现快充功能需要满足三要素,三者缺一不可。充电器、电池、charge IC。充电器需要满足足够的输出电流以及输出电压,因为充电器的走线有很大的寄生电阻,如果要实现较大的充电电流,充电器的带载输出电压需要较高。以充电器的寄生电阻为1欧姆来估算,主板充电器接口VCHG到VBAT的路径电阻大概也有1欧姆左右,如果以1A快充的电流来简单计算的话,充电器的输出电阻需要在6.5V左右。

目前手机使用的电池都是锂离子电池,在手机工作时,电池不断放电,电池电压不断下降,电池放电的电流不同,电压下降的曲线速率也不同,一般来说,在电池电压3.5V~4.2V之间集中了90%的电池能量。电池能量分布如下图所示。

结合锂电池的实际情况,一般手机的工作设置为当锂离子电池放电到一定程度时,会通过软件设置为不能通话或者强行关机。深度放电对锂离子电池的寿命会造成不可逆转的损伤,因此关机电压一般设置为3.5V左右。从电池的能量分布以及手机使用的实际情况来看,影响充电时间最大的是在恒流充电阶段的充电电流,目前主流手机设置的充电电流为450mA左右。如果想实现快速的充电,最切实可行的方法就是提高恒流的充电时间。锂电池的最佳充电速率为1C,这意味着一个 1000 mAh的电池组要以1000mA的电流进行快速充电,以这种速率充电可以实现最短的充电时间,而且不会降低电池组的性能及缩短使用寿命。对于容量不断增加的电池,欲达到这种满意的充电速率,提高充电电流值是不可避免的。

本文以MT6235的充电为例。手机充电分涓流、恒流、恒压充电,当VBAT电压小于3.3V为涓流充电,VBAT电压在3.3~4.1V为恒流充电,大于4.1V到充电完成为恒压充电。

上海艾为电子专门针对MT6235/36平台推出的AW3208在增加OVP功能的同时,提供了智能充电功能,以满足快速充电的功能。如图2所示,AW3208内置专有的K-ChargeTM技术,可根据芯片温度智能调整输出电流,以保证在充电期间整个充电系统的安全。使得手机在实现快速充电的时候不会因为由于环境温度较高或者充电电流过大导致芯片进入过温保护使得充电没法正常进行。图3为在MT6235上的典型应用图。

AW3208除了集成的K-Charge技术,由于AW3208采用的是DFN2X2-8L的封装,在芯片的底部有很大的一个散热片,相对于MT6236 早期BJT+NMOS的方案,在散热跟最大功耗性能上有很大的提高。左下图为AW3208测试demo,飞线到MT6235整机做实际充电测试,在 ACIN=5.25,VBAT=3.3V(采用安捷伦电源),手机充电设置为800mA,充电时间持续4小时,板子温度符合上海某大型IDH标准(温度不超过室温15度)。

注1:GATDRV上外接1uF电容,确保激活过放电池
注2:1KΩ确保无需调整充电软件


USB在快速充电中的方案

现在几乎所有的手机都支持USB充电,USB接口的电流是500mA,电压是+5V,如果在插USB充电时还是按原先插充电器的快充模式,可能会因为USB接口没法提供快充这么大的电流导致充电失败。针对这种快充的应用,目前的建议解决方法是需要修改充电的软件流程,在软件检测到VCHG电压的时候,先不要打开充电模块,执行检测是否USB充电,如果是充电电流执行正常的充电模式,否则支持快充模式。

AW3208快充方案在layout中的注意事项

AW3208不但可以支持国内充电器实现快速充电,同时由于AW3208集成了降压OVP的功能,也可以支持海外诺基亚充电器输出电压较高时的快充充电。高电压带来的必然是高功耗,为了确保AW3208能够实现最大且最可靠的充电电流,请确保AW3208的散热片是接到PCB的主地,且最好是把AW3208放置在板子中间,方便芯片散热。

总结

不管是类智能机还是智能机时代,电池的续航能力已经成为了制约手机从普通的通话、短信功能机往大屏、游戏等功能一体的智能机发展最大的瓶颈。基于类智能机推出的AW3208快充方案也只能算是一个折中的方案。如何解决好电池的续航能力已经成为了整个手机产业链都在研究的课题。电池厂家响应国家绿色环保的概念,也开始推出太阳能手机电池。手机IC的厂家为了降低IC功耗,也在不断的升级工艺制层以及设计能力,推出超低功耗产品。上海艾为电子技术有限公司也将在电源管理领域持续不断的推出更多的产品已满足后feature phone时代的需求。

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