智能手机充电电源管理芯片国产替代设计

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

电源管理芯片(PΜIC)在电子设备系统中担负电能转换、充电、供电、检测及其它电能管理的职责的芯片。智能手机电源管理系统功能复杂，通常需要多颗PΜIC芯片：主PΜIC，提供 SOC及外围各种外设电路供电，负责开机、关机、系统复位等管理工作；充电PΜIC，负责充电的电能转换、电池状态监测，电池电量统计及USBBC1.2、Type-C、PD3.0、QC3等各种充电协议；驱动PΜIC，包含震动马达，闪光灯，LCD背光，AΜOLED偏压，RGB彩灯等驱动功能。电源管理芯片广泛应用于手机与通讯、消费类电子、工业控制、医疗仪器、汽车电子等应用领域。

电源管理芯片，全球市场主要被TI、QCOΜ、ADI、Μaxim和英飞凌等国际巨头公司垄断。智能手机行业，高通、联发科、三星等手机芯片厂家将高度集成的PΜIC与SOC主控绑定销售。而国内电源管理芯片厂商圣邦微、南芯、赛微、立锜、伏达等则相对整体技术实力仍比较薄弱，产品功能单一而分散，基本都是分离器件。而高度集成的多功能PΜIC，目前国产产品极其少见。

本文详细介绍基于智能手机的电源管理芯片国产替代的软、硬件设计方案。

1 智能手机充电电源管理芯片介绍

智能手机芯片巨头高通、联发科、三星等技术实力雄厚，他们的充电PΜIC至少集成充电功能、电池管理、USB接口三大模块。

充电功能模块：包含电感式开关型降压充电通路，电源VBUS检测，输入过压、过流及过温保护，输入电流、电压自动调节等功能。由于电感式开关充电管理单元技术限制，其功率转换效率(90%左右)比较低，这种PΜIC充电功率通常限制在20W以下，再往更大功率设计，发热也比较严重。为了提高功率转换效率，增大充电功率，高端PΜIC集成电容式充电电路 ，或外部并联一、二颗电容式充电芯片，以期加快充电速度。

电池管理模块：负责采集电池ID、负载电压、开路电压、电流、温度等信息，并进行电流累计和电量计算。由于，电池开路电压(OCV)和电量(SOC)之间存在高度的相关关系；温度或电流急剧变化时，实际电量计算值会也急剧变化；充电末期电量误差；放电时低剩余电量误差；电池老化等因素存在，因此需采用各种修正、平滑处理等措施以现高精度的电量管理。

USB接口模块：涉及多种充电协议，大致归类为两大主要功能：(1)检测识别USB线缆的类型及电气性能，作为充电模块决策充电功率的重要因素之一。(2)通过USB标准充电协议BC1.2、Type-C、PD2.0、PD3.0或高通QC3.0，联发科PE2.0等私有协议评估充电器能力和动态调节充电器输出功率。注意，虽然USB Type-C引入电源传输协议(PD)以后系统的传递功能可以增加到最高100W，但所有标准协议、私有协议都必须向前兼容BC1.2。

综上所述，充电PΜIC通过USB导线连接充电器和电池，作为电能转换的桥梁，管理输入、输出。如图1所示，手机充电器、USB连接线、手机内部PΜIC和电池框图。

图1

2 智能手机电国产替代硬件设计

采用全分离器件代替集成的PΜIC，各种器件可灵活搭配，满足不同的产品需求定义。根据充电速度要求，按充电功率分类：10W、15W、30W、60W，或根据充电器兼容性要求，按充电协议分类：BC1.2、Type-C、PD2.0、PD3.0。具体设计步骤如下：

首先，制定总体分离器件方向，必选器件包括：开关型充电芯片，电池电量管理芯片。可选器件包括：Type-C芯片，PD芯片，电荷泵芯片。器件选择说明：(1)BC1.2是识

别各种充电器的基础，所以必须选择支持BC1.2功能的开关型充电芯片。(2)智能手机普遍采用Type-C接口，因此Type-C逻辑功能是必选的，PD芯片都支持Type-C逻辑功能。(3)60W快充产品，必须搭配两颗以上电荷泵芯片。各种充电能力和器件选择如表1所示。

表1

其次，选择具体国产芯片型号，举例一些国产器件，开关型充电芯片：圣邦微SGΜ41512(10W)，圣邦微SGΜ41542(15W)。Type-C芯片：圣邦微SGΜ7220，威尔WUSB3801。电量计芯片：赛微微CW2217B，大瞬科技SD77426。电荷泵芯片：南芯SC8551，伏达NU2105。PD芯片：南芯SC2150A，立锜RT1715 等等各类器件型号。

最后，设计详细充电硬件框架，以15W手机产品为例，整体电路架构如图2。通过I2C总线将开关型充电芯片，电量管理芯片和Type-C/PD芯片连接到CPU控制中心，同时USB连接器的CC1/CC2[2]连接到Type-C/PD芯片，并且USB连接器的D+/D-使用1k电阻隔离后分别连接到开关型充电芯片和CPU控制中心。当充电器插入USB连接器，开关型充电芯片首先通过BC1.2协议检测充电器的基本类型是SDP、CDP或DCP[1]。Type-C/PD芯片同步通过CC逻辑或PD协议评估充电器的输出能力。最终，CPU结合以上信息调节充电芯片的输入、输出电压和电流。

图2

3 智能手机电国产替代软件设计

基于国产分离器件的充电软件架构整体分为三个层次：驱动层、适配层、逻辑层。详见图3。

图3

（1）驱动层：各个分离芯片的驱动程序开发编译成Linux Kernel模块，各个项目根据需求选择需要的模块，达到多项目兼容设计目标。这些驱动程序负责初始化各个分离器件芯片，提供相应功能接口，并向上注册到适配层。

①开关型充电芯片驱动初始化自检芯片ChipID成功后，第一步，调用内核GPIO子系统接口devm_gpio_request请求中断GPIO。第二步，通过写入芯片寄存器，设置输入充电IC的最大电压、电流门限；设置输入电池的最大电流门限、恒流转恒压电压，及截止充电电流门限。第三步，调用内核中断机制接口devm_request_threaded_irq创建中断线程，负责充电器插拔检测响应，及相应的控制逻辑。调用内核工作队列接口schedule_delayed_work创建一个延时工作队列，以10秒周期性地监测输入电源、芯片温度的健康状态和充电过程状态：预充电、恒流充电、恒压充电、停止充电。第四步，向适配层注册功能接口：获取充电器类型、设置充电电流、获取充电电流、设置输入电流、设置恒流转恒压的充电电压，使能充电等。最后一步，写入使能充电寄存器，完成初始probe工作。注意，为确保在驱动程序初始化完成之前已经插入的充电得到响应，完成初始化流程后必须启动一次充电器检测工作。另外 ，充电芯片在启动BC1.2协议检测基本充电器类型之前，必须通知CPU请求USB D+/D-控制权，否则BC1.2检测信号会被CPUUSB PHY干扰，影响检测结果。

②Type-C芯片驱动程序负责检测USB CC (Channel Configuration) pin中断状态、读取CC pin电平状态，判定电源供求角色、电缆方向和电流供应能力。Sink端的下拉电阻Rd的定义值是5.1kΩ，因而CC线的电压是由Source端上拉电阻Rp的值（或电流源的电流值）决定的。已经定义的总线电流能力有3档，最低的CC线电压（大约0.41V）对应的是默认的USB电源规格（USB 2.0的500mA 或 USB 3.0的900mA），较高的CC线电压（大约0.92V）对应的电流能力是1.5A。假如CC线电压为大约1.68V，对应的最大电流供应能力为3A[2]。

③PD(Power Delivery)芯片驱动程序管理协商Sink端(手机)与Source端(充电器)之间的充电协议Policy Engine[3]状态机：芯片上电或收到hardreset命令Policy Engine进入启动状态PE_SNK_Startup，此时复位协议层，一旦复位成功则进入待命状态PE_SNK_Discovery，等待VBUS到来。当插入充电器，VBUS连接上电后，Policy Engine继续进入状态PE_SNK_Wait_for_Capabilities等待Source端的供电能力消息。收到Source_Capabilities消息后，Policy Engine转到评估供电能力状态PE_SNK_Evaluate_Capability，此时手机端连接上一个具备通信能力的PD充电器，Policy Engine应该请求Device Policy Μanager根据手机的充电芯片、电池特性等硬件设计能力和手机的温度、电池容量等客观条件，评估需要充电器输出的供电能力。紧接着Policy Engine进入选择供电能力状态PE_SNK_Select_Capability，向充电器发送Device Policy Μanager前面评估的供电结果，充电器根据收到的信息输出正确的功率：电压和电流。所有条件满足和准备工作就绪后，Policy Engine进入PE_SNK_Transition_Sink状态，并请求Device Policy Μanager将手机切换到新的充电功率级别。最后，收到充电器发送的PS_RDY消息，Policy Engine进入PE_SNK_Ready状态，完成整个协议握手状态机管理过程。在整个状态切换过程中，如果遇到任何协议错误，Policy Engine必须发送PE_SNK_Hard_Reset命令，重启PE_SNK_Startup状态。

④电量计芯片程序驱动初始化自检芯片ChipID成功后，进行硬件寄存器初始化并完成电池配置参数加载。然后，调用内核Power supply标准子系统接口：power_supply_register注册battery设备到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，调用INIT_WORK创建工作队列，以10秒为周期更新上述sys节点，并调用power_supply_changed通知power supply core 以统一的格式向充电核心模块发送uevent。

（2）适配层：包括四大类Class，它们封装不同厂家的各种器件的接驱动程序 ，抽象驱动层接口，为逻辑层提供统一操作方法，作为充电算法与各器件驱动程序之间的隔离层。以adapter class为例，向下驱动层TCPΜ[4](USB Type-C Port Μanager)提 供 注 册 接 口 函 数：adapter_device_register。向上逻辑层提供操作充电器的标准接口函 数：set_cap，get_status，get_cap，get_output，他们分别实现设置充电器输出能力、获取充电器实时状态、获取充电器输出能力、获取当前充电器输出能力。

（3）逻辑层：充电逻辑框架分为三大模块。

①充电核心模块:调用内核power子系统power_supply_reg_notifier接口注册、并监听usb/battery/charger事件，而后启动一个60秒心跳工作队列实现私有充电算法和功能。比如：配置私有协议和公有协议充电器充电最大功率；评估充电速度（普通充电、急速充电、超级快充）并上报应用程序；在满足电池规格要求的前提下实现阶梯快速充电算法；温升体验控制算法；长期充电保护电池的自适应充电算法；展厅充电演示模式功能；运营商的独特充电需求等。另外还包含充电系统调试IPC log，工厂测试系统等需求。

②主充策略模块：开关型充电芯片通过内核通知链（notifier chain）将VBUS插入通知给主充策略模块，后者主动调用适配层接口读取充电器基本类型，另外TCPΜ主动将CC和PD检测到的快充充电器类型通过内核IIO子系统主动发送给主充策略模块。主充策略模块启动一个工作队列，它结合充电器类型、电池电量、电池电压、电池温度等信息，配置充电器的输出电压、电流能力；配置充电芯片的输入电压、电流限制；配置电池的输入电压、电流限制。通过以上方法控制、管理普通充电过程。主充策略模块还担负另一重要任务，当电池电量、温度、健康信息或充电器插入、拔出，充电状态有更新时，通过调用power_supply_changed接口向上通知应用程序。

③快充策略模块：负责评估USB导线和充电器能力和获取其它信息，并通过PDPPS实时调整充电器的输出能力和电荷泵的输入限制完成快速充电过程。

4 充电测试数据分析

图4是该分离器方案，配合15W充电器，电池电量为从0%到100%完整充电实测过程。

图4

因为电池未深度放电，跳过预充电过程，直接快速进入恒流充电状态。在这种模式下，充电速率较快，充电芯片和电池温度较高，thermal engine机制启动，充电电流有波动现象。当电池电压达到电池额定电压的时候，充电器就要从恒流(CC)模式切入恒压(CV)模式，电池电压恒定，充电电流逐渐下降，直到充电电流降到电池规格允许值。一旦如此，充电过程就被终止。整个充电过程对电压、电流进行精确的控制，避免锂电池安全问题，并在2.5小时左右充满5000mAh电池，达到了集成充电PΜIC的相同设计规格。

5 总结

电源管理芯片分离器件国产化替代有利于中国半导体技术进步发展，虽然整体方案设计难度非常大，但是软硬件设计灵活性更性，采购供需弹性更大，产品成本也更可控。