基于双电芯电池的智能手机快速充电技术和改进

廖火生

（联想 摩托罗拉移动科技（厦门）有限公司，福建厦门，361000）

0 引言

进入移动互联时代，智能机已经不单单是通讯的工具，它还是游戏机、社交助手、办公设备，因此，可以说手机是人们生活中不可或缺的一部分。据统计人们每天使用手机的时间超过5小时，而手机能够被使用的最基本条件就是电池有电，这就造成了有限的电池电量和预期更长的使用时间之间的矛盾。另外 ，随着技术进步智能手机的性能越来越强，耗电量也不断的增加，但锂电池技术进步缓慢，造成锂电池容量提升缓慢与智能手机功耗的大幅提升之间的矛盾。这些矛盾带来了一种新的社会“病”—电量焦虑症。因此，在锂电池技术没有突破的前提下，各大智能手机厂商不断地升级手机的充电技术，用于解决这种电量焦虑症。特别是近几年快速充电技术进行了多次快速迭代发展，在电荷泵和氮化镓半导体充电器等技术的加持下，快速充电技术有了飞速进步。目前市场上已经量产商用的快充技术方案种类繁多，标准不一：按协议标准分有高通的QC快充，联发科的PE快充，还有 USB–IF 协会主推的 PD 快充；按充电功率分从20W至100W不等；按输入电压电流大小可以分成高压低电流快充和低压高电流快充；按电池分为单电芯和双电芯[1]。

1 智能手机单电芯快速充电设计方案

市场上主流功率在20W至50W间智能手机产品的快充技术大部份采用单电芯电池，整个充电电路主要由USB连接器、开关型充电芯片、通用电源管理芯片PMIC、锂电池、电量计等基本功能单元组成。对锂电池的充电是需要特别小心的，因为错误的充电方法可以缩短电池寿命、对电池造成伤害，甚至可能造成安全问题。锂电池安全充电策略过程分三阶段：

（1）涓流充电（也叫预充电)，这时候的电池电压低于某个阈值，充电电流必须很小，预充后可以使电池进入可以接受大电流充电的状态。对于死电池，预充电还有解除电池保护电路的欠压保护状态的作用。

（2）恒流充电，这阶段按照预先定义好的恒定大电流为电池持续充电，电池电压逐渐上升，直到电池额定充电电压。

（3）恒压充电，当电压达到电池额定电压的时候，充电就要从恒流切入恒压，充电电流逐渐下降，电压需要进行精确的控制以避免对电池的过充和可能导致的危险。

Type C接口成为了市场主流，特别是旗舰智能机的标配。其最大的优点是支持正、反转盲插，有完全取代Micro B接口的趋势。根据规范Type C接口支持USB3.0全功能，并兼容USB2.0。

智能手机使用的通用电源管理芯片PMIC，除集成电感型开关充电管理单元，通常还集成系统供电管理，开关机管理，Type C / PD控制器，马达、背光驱动用户接口等。市场上 单颗PMIC功率通常限制在20W以下、功率转换效率也较低（一般90%以下）。为了增大充电功率，提高功率转换效率，加快充电速度，提升充电温升体验，建议并联一颗、或两颗开关型专用充电芯片。开关型专用充电芯片有电感式和电容式两种类型[2]。

（1）电感式充电芯片，跟通用PMIC的功率转换效率接近，受效率限制，充电功率做到30W以上，发热也比较严重，用户体验欠佳，不作详述。

（2）电容式充电芯片，又称为电荷泵充电芯片。电荷泵电路利用飞电容把能量从输入转移到输出，所以电荷泵电路只需要电容不需要电感。电荷泵工作原理[1]如图1，推导如下：

图1 电荷泵工作原理

电荷泵充电:Q1, Q3闭合，Q2, Q4打开，输入电荷对飞电容Cfly充电，Cfly和电池串联。

在吉老师的引领下，学生与文本进行跨越时空的心灵对话，学生、文本、教师、编者四者之间的情感得到了交流和沟通，整个课堂也在心灵的对话和情感的交流中活力四射。

电荷泵放电:Q1, Q3打开，Q2, Q4闭合，飞电容电荷输出对电池充电，Cfly和电池并联。

得到：电荷泵输入、输出电压2：1关系。相反地，输入、输出电流1：2关系。

电荷泵电路采用电容储蓄能量，不同于电感充放电，电荷泵充放电效率达95%以上。因此，智能手机要做到30W以上充电功率，建议使用一或两电荷泵充电芯片与通用PMIC并联，在恒流阶段使用电荷泵进行大电流充电；而涓流充电和恒压充电两个阶段关闭电荷泵，使用PMIC进行小电流充电。为什么恒压阶段不继续使用电荷泵充电呢？最重要的原因是这阶段充电电压需要进行精确的控制，不能超过充电安全电池电压，而电荷泵输出电压不及电感型输出电压稳定。并且在恒压阶段，进入电池的电流逐步减少，但电压恒定，那么电荷泵的输入电流逐步减少，充电导线的线损压降减小，电荷泵输入电压降低，进而导致电荷泵输入、输出电压达不满足2：1的关系，就得去调节充电器输出电压，但充电器输出电压调节的实时性达不到达到精确控制的安全要求。

当前单电芯锂电池的充电限制电压在4.5V以下，安全电流也不被允许超过10A的，根据公式：功率 P = U（电压）＊ I（电流），可以得出结论：常规单电芯电池的充电功率一般不会超过50W。虽然50W高功率基本可以达30分钟充满手机的速度，这个速度已经够快，但是要让充电真的变成“无感”，还得更快。于是，100W功率双电芯超快闪充技术横空出世。

2 智能手机双电芯快速充电设计及改进方案

智能手机双电芯串联电池设计突破了单电芯电池的充电电压限制，以双倍电池电压进行充电，达到充电功率翻倍的目的。另外 ，从安全性来说，由于只提高了充电电压，充电电流仍然跟单电芯一样。因此，双电芯充电功率达到100W并可在20分钟以内充满手机，仍保证了单电芯一样的安全性。如图2所示。

图2 双电芯快充及系统供电框图

（1）串联双电芯使输入电池的最大电压为单电芯的两倍：2＊VBAT。

（2）电荷泵(4：2)将输入电压由4倍单电池电压降为2倍单电池电压，用于恒流快充阶段。

（3）电荷泵(2：1)将双电池降压为单电池电压，通过PMIC给系统供电。升降压芯片支持电池输出供电通路的开关切换。

（4）升降压开关充电芯片，负责100W充电的涓流充电和恒压充电阶段。同时通过降压功能兼容50W以下快充；通过升压功能兼容10W普通充电。

（5）通用电源管理芯片PMIC不提供电池充电功能。

双电芯电池设计虽然在物理结构上具备天生优势，使充电功率翻倍，但电池输出给系统供电电压也翻倍了，需增加降压芯片进行降压以满足系统供电需求，但这个“为了降低电压而降低电压”的措施不仅增加电能损耗，而且增加硬件成本。因此本文提出一种双电芯改进型设计方案，如图3所示，双电芯支持串联和并联两种物理连接的动态切换。

图3 双电芯充电及系统供电框图

（1）当且仅当进行百瓦级恒流充电时，双电芯处于串联状态，电荷泵工作于4：2降压模式，将充电输入电压降压满足串联电池充电电压2＊VBAT，而PMIC充电输入端关闭不充电。

（2）当百瓦级恒流充电完成后，双电芯切换为并联状态，电荷泵工作于2：1降压模式，与PMIC并联完成后续阶段的充电工作，无需升降压充电芯片。

（3）当用户使用非百瓦级普通充电器，双电芯切换为并联状态，电荷泵也工作于2：1降压模式，与PMIC并联完成普通快通所有充电策略过程，也无需升降压充电芯片。

（4）系统供电PMIC都只取1＊VBAT电压作为供电电源，无需降压供电芯片。

3 结论

综上所述，在现有快充技术如雨后春笋般出现的背景下，双电芯快速充电改进型设计方案在Moto折叠屏Razr项目实现量产，解决了电池技术进步缓慢的问题，它能够在电池体积、容量、电压、最大电流受限制的情况下提升智能机的充电速度，并且能够保证手机的寿命不会受到影响，也从侧面加快了物联网在生活中的普及。该方案达到百瓦级充电功率的同时，不仅提高电了能使用效率、节约了硬件成本，而且保证充电安全性，必将加快智能手机百瓦级充电的普及速度。也在功能上给了用户更好的使用体验。