淺析智能手機“一小時充電”的充電保護方案

　　前沿

　　蘋果iPhone的出現，讓智能手機的概念走進了千家萬戶。隨著智能手機的快速普及，消費者對于智能手機功能以及體驗需求不斷提升，使得智能手機廠家不斷的追求硬件參數高配置。最為明顯的就是CPU核數以及屏幕尺寸不斷的變大，最近國產華為手機更是推出了6.1英寸，四核1.GHz CPU的Mate智能手機，把智能手機的硬件參數推到了另一個頂峰。但是這兩個硬件參數的提升卻嚴重的影響到了消費者對手機待機時間的需求。

　　年初，美國資訊公司 J.D. Power發布了2012年智能手機用戶滿意度調查報告，調查結果也表明手機電池是智能手機的使用瓶頸。該調查還顯示，手機電池的耗電量是決定客戶是否對手機滿意的最重要因素之一。一款簡單的功能機，充滿電后放上十天半個月不充電也是稀松平常的事。但是智能手機每天都得插上充電器，就像回到了有線電話時代，總有條“繩子”跟著你的手機。很遺憾鋰電池技術突破遠遠沒有跟上其它硬件的發展腳步，智能手機耗電激增更是將手機電池推向了絕對的瓶頸期。這種情況下，想要在電池端下工夫，只能增加電池體積以增大容量。目前主流手機電池容量多在1000-2000mAh之間，大尺寸的機器會出現配備2500mAh電池的手機，而華為的mate更是配了4050mAh的電池。

　　大容量電池必然帶來長時間的充電時間，同時對智能手機的充電技術提出了更高的要求。本文主要對目前主流智能手機充電方案做個詳細的介紹。

　　無源分立器件方案

　　分立器件充電方案主要是從功能機時代延續過來，如圖1為MTK平臺目前在功能機平臺以及低端智能手機平臺的主流充電方案。充電的控制全部靠主平臺來控制，通過兩路ADC檢測引腳ISENS/BATSNS之間0.2歐姆電阻的電壓差，內部的邏輯電路會設置流過R1電阻的電流來實現對電池充電電流大小的控制，而且還通過7.5K電阻以及NMOS管隔離BB或者PMU直接面對VCHG充電器輸出的脈沖高壓沖擊，確保不會因為劣質適配器輸出的高壓燒壞主芯片。

　　分立器件充電方案的優勢是成本足夠便宜，劣勢就是充電電流比較少，目前市面主流的設置是500mA，而且充電的保護機制主要是靠平臺自身的軟硬件來實現。分立器件充電方案的優缺點都比較明顯，但是在功能機時代，分立器件的優勢得到極大發揚，而充電電流比較少的劣勢在功能機時代并沒有給消費者帶來太差的體驗感。正因為這樣，分立器件充電這套方案成為了所有功能機平臺的主流充電方案。

　　但是隨著智能手機電池容量的不斷增大，分立器件充電電流較少的劣勢不斷顯現，因為成本的考慮，很多廠家想通過分立器件的方式來提升充電電流。但是分立器件由于散熱的太差很難實現較大電流充電，圖2 是圖1電路中大電流通路的三極管兩種封裝圖，從早期的SOT23-6封裝發展到為了支持更大電流充電的DFN2X2-8封裝，但是分立器件自身的結構只能通過管腳對空氣散熱，限制了不管是哪種封裝都沒有辦法取得很好的散熱效果。類似的有源功率器件采用DFN、QFN封裝，看中的是可以利用封裝底部的散熱盤，這個散熱盤要有好的散熱效果必須接主板的大地，而無源的分立器件沒有辦法利用到散熱盤的這個有效散熱功能。

　　有源線性充電方案

　　在手機平臺還沒有高度集成化的時候，有源線性充電是手機充電的主流方案，后來隨著平臺的不斷集成化，BB把充電的控制邏輯集成在自身的PMU里面，從散熱方面考慮，把需要過大電流的管子放置在外面，從而延伸出了分立器件的充電方案。隨著智能手機的不斷普及，電池容量的不斷增大，對充電電流的要求不斷提升。上文描述的分立器件充電電流小、散熱差的問題越來越嚴重，線性充電的集成方案有開始陸續被一些更注重品質的廠家采用。

　　有源線性充電的優勢是：1、芯片集成較多的充電保護機制，這種保護機制隨著充電電流的不斷增大，越來越被工程師所關注，畢竟充電模塊會涉及到手機可靠性方面；2、散熱較好，有源的充電IC一般會采用帶散熱盤的DFN/QFN等封裝，芯片內部的地會通過封裝的散熱盤接到主板的大地，非常有利于主板的散熱，不會出現手機主板某個局部區域溫度過高的情況。劣勢是：1、成本要比無源的分立器件方案高；2、充電電流最大支持到1A，電流再大，效率低導致的散熱問題也會明顯顯現。

　　如圖3、圖4為推出的AW3210支持MTK、展訊智能手機平臺1A充電的高性價比充電方案。AW3210除了線性充電常規的保護機制例如OVP、OCP、軟啟動保護外，還專門針對大電流充電開發的具有專利技術的K-charger，K-charger專利技術可以自動根據芯片的溫度來調整充電電流的大小，避免因為使用中由于誤操作影響充電的可靠性。圖5為K-charger技術充電電流隨之芯片溫度變化的曲線示意圖。