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手机快充芯片及其手艺规范和设想道理详解

义务编辑:yabo22vip亚博:深圳市伟创捷电子无限公司  颁布发表时辰:2015-09-09
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智妙手机对宽带无线通讯、图象处置等多方面的须要致使现实耗电呈指数增添。将来5G通讯带宽将比4G增添10倍,4K/8K等高清视频手艺逐步利用,CPU、GPU等运算电路处置才能不时加强,这统统都将致使智妙手机全体能耗须要将成指数增添。


电池容量呈线性迟缓增添,能耗须要缺口逐步拉大。电池手艺迟迟没法冲破,成为终端利用的最大瓶颈。电池容量增添迟缓,每一年线性晋升约15%,而能耗则是呈指数增添,能耗须要与电池机能的差异愈发较着。电池机能曲线将与能耗须要曲线严峻脱轨,进步充电速率成为电池续航的关头处置计划,疾速充电已成为市场协作热门。


一、疾速充电道理

疾速充电手艺将成为手机标配。在电池容量没法敏捷获得冲破,手机用电量又飞速增添的条件下,疾速充电手艺进步尤其须要。中国信息通讯研讨院对疾速充电的界说是:30分钟充电进入电池的均匀电流大于3A或30分钟充电电量大于60%。


疾速充电体系包含快充规范,快充电源适配器,接口E-marker芯片,充电线缆,手机快充芯片,电池等多个部分。各部分都必须针对差别规范特地设想,才能完成快充功效,并且保障充电宁静。

1、 手机的四个充电关键

1)充电适配器

充电适配器的使命是把220V的市电转换为手机能够或许或许或许或许蒙受的5V电压(此刻应各类充电和谈,如QC和USB PD(Type C接口)等的请求,也请求能够或许或许或许或许送出9V/12V/14.5V乃至20V的电压。对充电和谈的话题咱们已在后面一篇公家号做过会商),同时具备必然的功率输入才能,比方5V/2A, 9V/1A等等规格。充电适配器属于AC-DC的手艺规模,泛泛所说的快充芯片实在是对适配器AC-DC芯片和手机真个开关式充电办理芯片(以 DC-DC手艺为完成手腕)的统称,但本文的快充芯片特指手机真个开关式充电办理芯片。


2)充电线缆

充电线缆的使命便是担任把电压/电流从适配器端传递得手机端,因为今朝绝大大都充电线现实上便是USB线。这里有一个参数须要提请大师注重。按照USB2.0的规范,线缆须要具备传递最大1.8A的电流才能,是以若是是5V的适配器,USB2.0的线缆最大能传递的功率实在只要9W。


3)快充芯片

它的使命是把适配器的5V/9V/12V等电压转换成电池的电压,同时按照须要的充电电流切确可控地向电池遏制充电。从手艺上看,快充芯片是这四个关键中最具备挑衅的部分,是以今朝业界有才能供给高品德高靠得住性的快充芯片的厂家很是无限,首要仍是以德州仪器,仙童半导体等多数几家外洋大厂为主,国际的希荻微电子、汉能颠末几年对峙不懈的自立研发,已推出了一系列的快充芯片,突破了外洋大厂的把持场合排场,并已在各大手机计划商和品牌商获得遍及的利用。快充芯片详细的先容将鄙人文做详解。


4)电池

电池是这个关键很是首要的部分,全部充电关键都是为了使电池疾速而宁静地布满电量。电池的首要参数包含:容量(mAH,手机中罕见的有2000mAH, 3000mAH和4100mAH),充电遏制电压(今朝罕见的有4.2V, 4.35V和4.4V规格,更高的充电遏制电压,在划一的电池体积环境下,凡是具备更高的电池容量,是以今朝所谓的4.35V及以上的高压电池逐步在手机上获得更遍及的利用),和可接管的最大充电电流等等。此中,可接管的最大充电电流普通以nC来表现。比方一个3000mAH的电池,1C的充电速率是指一个小时以内便可布满电池,此时可接管的最大充电电流便是3A;若是许可2C的充电速率,那末实际上半小时便能够或许或许或许布满电池,则此时可接管的最大充电电流即为6A;以此类推等等。


二、 典范的三段式充电

实在给锂离子电池充电的进程和咱们糊口顶用水龙头向洗脸盆放水的进程很是近似:


第一阶段:当起头给一个空的脸盆放水的时辰,为了不让水溅出来,会把水量节制得很小;第二阶段:比及脸盆底部积满了必然水位以后,才把水龙头开得比拟大,脸盆里已有的水能够或许或许或许对如许缓慢的进水起到缓冲感化,从而不会有水花溅出;第三阶段:当水位快到脸盆顶部的时辰,此时咱们又会逐步减小进水量,以避免有水冲出脸盆以外,直至积满全部水盆。


电池就像这个脸盆,只不过它贮存的不是水,而是电荷。电池的充电也有近似的三个阶段:


第一阶段:涓流充电。电池的特色是,当电池电压(大抵相称于水位)很是低的时辰,其外部的锂离子勾当性较差,内阻较大,是以只能接管较小的充电电流(普通在30到50mA摆布),不然电池轻易发烧和老化,不只侵害电池寿命,并且有潜伏的宁静题目,是以把这个阶段称为涓流充电,也有同业将之称为线性充电或预充电等等。


第二阶段:恒流充电。当电池电压高于2V以上,电池的锂离子勾当性被充实激活,内阻也较小,以是能够或许或许或许或许接管大电流的充电。在这个阶段,快充芯片会按照设定向电池供给可接管的充电电流,是以在这个阶段电池获得的电量也是最大的,能够或许或许或许占到容量的70%到80%以上。


第三阶段:恒压充电。电池是一个很是娇气的储能元件,它的电池电压不许可跨越遏制电压的±50mV,不然就会有宁静隐患。是以,当电池电压被充到靠近充电遏制电压的时辰,快充芯片必须能够或许或许或许或许主动减小充电电流,节制“水花”不要超越规模,直至把电池完全布满。


一个及格的快充芯片,必须能够或许或许或许或许按照电池电压的凹凸,主动地节制充电进程在上述三个阶段之间遏制无缝切换,而无需其余硬件或软件的赞助。


三、快充手艺规范

罕见疾速充电手艺可分为两种:

高压快充:经由进程进步电源适配器输入电压来进步终端充电功率和速率

高压快充:经由进程进步电源适配器输入电流来进步终端充电功率和速率

国产手机增添迅猛,获得话语权。跟着华为、OPPO、Vivo等国产手机厂商在环球份额不时扩展,中国厂商财产链整合才能晋升,将能够或许或许或许获得疾速充电市场的主导权。比拟高压快充体例,高压大电流在完成一样功率下效力更高,充电器和手机发烧更少,将占有市场支流。


快充规范又有以下:

  • 1、高通:Quick Charge(属于高压快充)

  • 2、联发科:Pump Express Plus(Pump Express 1.0和2.0版本是高压快充线路,从Pump Express 3.0起头移到高压快充下去)

  • 3、OPPO:VOOC计划(属于高压快充)

  • 4、华为:兼容QC2.0和谈和海思快充和谈华为快充手艺

  • 5、USB开辟者同盟:Power Delivery

  • 6、VIVO:双引擎闪充

  • 7、遐想/摩托罗拉:Turbo Charger

  • 8、三星:自有快充计划

  • 9、苹果20V 快充手艺


1、高通的QuickCharge计划(如QC2.0、QC3.0)

高通QuickCharge接纳高压快充规范。得益于在手机处置器真个统治级位置,今朝有跨越100种智妙手机都接纳高通Quick Charge的计划。小米4C,小米note,三星等支流品牌均在接纳此充电手艺。这与今朝高端智妙手机所接纳的平台有相称干系。别的,这类手艺绝对简略,完成起来绝对轻易,本钱晋升不较着,市场较轻易接管。高通QC充电手艺有两个版本,别离是QC2.0和QC3.0,此刻QC3.0的手机还很少,遍及仍是QC2.0。QC3.0接纳高压快充手艺,经由进程

3.6~20V静态可调理电压和最大3A电流以完成最大36 W充电功率。同时,QC 3.0接纳了最好电压聪明协商(INOV)手艺,能够或许让受电装配自行判定,以最合适的功率级别遏制充电,将动力转换效力最大化。


2、联发科Pump Express Plus

联发科Pump Express快充手艺与高通QC2.0虽在完成体例上有所差别,却有殊途同归之妙。高通QC2.0是经由进程USB端口的D+和D-来个旌旗灯号完成调压,而联发科的Pump Express快充手艺,是经由进程USB端口的VBUS来向充电器通讯并请求响应的输入电压的。QC2.0是经由进程设置装备摆设D+和D-电压的体例来通讯,Pump Express是经由进程VBUS上的电流脉冲来通讯,但终究的目标是晋升充电器的电压到5V,7V,9V。


3、OPPO VOOC计划(属于高压快充)

称本身研发的快充手艺为“ VOOC闪充手艺“,也是最奥秘的快充手艺,今朝只要OPPO的几款产物在用,即Find 7和N3等,因为OPPO对此手艺有专利限定,别的手机厂商只能蔚为大观,且本钱绝对较高,充电器体积较大,便携方面不别的快充手艺的好。


OPPO的VOOC闪充手艺与传统充电最大的区分在于,立异性的将充电节制电路移植到了适配器端,也便是将最大的发烧源 移植到了适配器。如许节制电路在适配器,而被充电的电池在手机端,充电时手机发烧得以很好的处置。为了更好的对充电流程遏制节制 (比方节制电路须要及时监测电池电压、温度等),OPPO出格在适配器端插手了智能节制芯片MCU,适配器端完成了充电节制电路,智能节制充电的全部流程。


4、兼容QC2.0和谈和海思快充和谈华为快充手艺

比来,光荣颁布发表了10000mAh快充挪动电源。这款电源能够或许或许或许在3.5小时内完成100%的充电量,半小时内便可给光荣7充电50%。大致设置装备摆设以下:高密度 聚合物电芯、撑持18W(MAX)双向快充、兼容海思FCP及其余支流快充和谈、撑持Type-C或USB输入。相干评测证实,该款电源能够或许或许或许为华为P9充 电2.3次、为光荣V8充电1.9次,为三星S7充电2.3次,可为iPhone6S充电4次。从双向充机电能及相干数据来看,这款产物应当算是国际挪动 电源市场的旗舰级产物了。


光荣这款快充挪动电源在完成9V2A双向快充的同时,更撑持海思、高通QC2.0、MTK多种快充和谈。在独家撑持光荣7、光荣V8、华为 Mate8、P9等撑持海思快充和谈的华为/光荣手机挚爱,还兼容高通QC2.0、MTK等快充和谈,几近能够或许或许或许知足市道上一切支流快充手机请求。


四、快充芯片

现市道上利用的电池办理芯片,首要是TI(德州仪器)和Fairchild(仙童半导体)的产物。别的另有 Dialog 半导体公司 Qualcomm Quick Charge 3.0(QC3.0)芯片组、PI高通QC3.0辨认和谈芯片CHY103D,汉能也推出一款合用于智妙手机的快充芯片HE4120、希荻微也推出快充芯片HL7005利用计划。

  • 1、TI(德州仪器)BQ25895

  • 2、Fairchild FAN501A与FAN6100Q

  • 3、Dialog 半导体公司 QC3.0 芯片组

  • 4、Power Integrations CHY103D

  • 5、汉能HE41201

  • 6、希荻微电子HL7005

1、TI(德州仪器)BQ25895

TI比拟有代表性的计划有BQ25895,它的maxcharge手艺是将高通QC2.0和联发科的Pump Express,和TI本身的高机能充电办理做了一次整合,其最大充电电流可达5A,最大输入电压14V,能够或许或许或许很好地撑持QC2.0和Pump Express规范的充电器。咱们对TI供给的BQ25890 demo板实测,在4A充电时,芯片温度达55度摆布(在环境温度25度下测试),差未几有30度的温升,这若是放在手机外部,将会是一个首要的热源。


TI的maxcharge充电芯片的简略单纯道理图



BQ25895 评价模块 (EVM) 


TI的maxcharge充电手艺的长处,因为同时兼容高通QC2.0和联发科Pump Express手艺,是以也就同时具备了QC2.0和联发科Pump Express的优化点。它错误谬误也和高通与联发科一样,全体的效力还不是很高,是以发烧量较大。


鉴于手机充电部分的发烧题目,短时辰QC3.0和Pump Express plus还未进步,那末咱们是不是另有别的计划来减小手机充电发烧量呢?谜底是必定的。咱们用两颗充电芯片同时对一颗电池遏制充电,能够或许或许或许削减零丁充电芯片的发烧量。下图是BQ25890+BQ25896双Demo实测,设置两颗充电芯片的充电电流都为2A,统共4A对电池充电,充电30分钟后,测到两个芯片的温度别离为42度和40度,室温为25度,芯片温升别离为17度和15度,比单芯片充电计划的温升下降了一半。是以,双充电芯片计划对进步充电效力,削减手机充电发烧方面具备很大的上风。

Q25890+BQ25896双Demo实测


2、Fairchild FAN501A与FAN6100Q

陪同业界充电通讯和谈QC2.0问世, Fairchild 也供给了最新的FAN501A与FAN6100Q,快充配套计划,合适Qualcomm拟定的QC2.0充电规范 ,以搭配高阶手机应用。该计划合用平板计较机与智妙手机,合适QC2.0快充规范, 晋升40%充电速率,具备高效力, 均匀效力>85%。并且具备高功率密度, 变压器小型化。


其线路图及计划方块图以下:


3、Dialog 半导体公司 QC3.0 芯片组

Dialog半导体公司近期颁布发表,其Qualcomm Quick Charge 3.0(QC3.0)芯片组现已起头量产。该芯片组的怪异的地方在于供给恒定的功率散布图(power profile),以便于设置装备摆设。该芯片组与QC2.0芯片组引脚兼容,有助于简化进级,并将延续扩展Dialog在疾速充电市场上的抢先位置,今朝Dialog在该市场占有的份额据估量为70%。



4、Power Integrations CHY103D

Power Integrations颁布发表推出的ChiPhy充电器接口IC产物系列的最新器件CHY103D,是首款兼容Qualcomm Inc.旗下子公司Qualcomm Technologies,Inc.所开辟的QuickCharge(QC)3.0和谈的离线式AC-DC充电器IC。

与Power Integrations的InnoSwitch AC-DC开关IC一路利用,CHY103D器件可供给撑持QC3.0所需的一切功效。QC3.0和谈与CHY103D器件的完善连系可极大下降智能挪动 装备在疾速充电进程中所产生的耗损。这一特色许可体系设想师挑选进步手机的充电速率或是下降手机在充电进程中的触摸温度,并且进步充电进程的效力。

该IC能够或许或许或许或许使电压以200mV的增量产生变更,而不是以后很多疾速充电设想中所接纳的更大阶跃(比方,从5V到9或12V),是以可进步充电效力并下降热耗散。此项手艺能够或许或许或许或许让挪动装备优化离线式充电器的供电电压,从而最大水平地下降手机外部充电办理体系中的功耗。

CHY103D具备丰硕的掩护功效,包含可避免输入跨越设定输入电压的120%的自顺应输入过压掩护(AOVP)、可检测部分短路并遏制功率输入以避免 电缆和毗连器过热的输入软短路掩护(OSSP)和可在检测到毛病的环境下使受电装备长途关断适配器的长途关断掩护(RESP)。

CHY103D器件本身在5V输入时的功耗还不到1mW;当与高效力的Inno Switch器件连系利用时,这类低功耗可赞助设想师知足严酷的充电器效力请求,比方,行将实行的美外洋部电源联邦规范的订正版。

CHY103D器件合用于平板电脑、智妙手机、Bluetooth 附件和USB功率输入端口等挪动装备的电池充电器。同时,它还与Quick Charge 2.0产物兼容。


5、汉能HE41201

汉能科技股分无限公司推出的一款合用于智妙手机的快充芯片,其机能比TI(德州仪器)、Fairchild(仙童半导体)的产物更具上风和性价比。那末这款芯片事实有何过人的地方呢?咱们经由进程比拟来看看这款芯片的特色:

从上图咱们能够或许或许或许得之,汉能科技主推的这款快充芯片的型号叫HE41201,接纳WCSP20的封装格局,与TI 主推的BQ24157/8是PIN对PIN的产物。且该款电池办理芯片也是开关式的电源计划。与线性的电源计划比,开关式的电源计划转换效力更高,发烧更小。


6、希荻微电子HL7005

希荻微HL7005供给完全的全主动的三段式充电办理:涓流预充电,大电流恒流充电和恒压充电。当电池电压降到外部阈值以下时,芯片主动重启充电周期。若是输入电源断开,芯片将主动进入禁止电池电流泄露到输入真个高阻形式。当芯片温度到达120℃时,芯片会主动减小充电电流以避免芯片过热。


HL7005有三个任务形式:充电形式,升压形式和高阻抗形式。在充电形式下,芯片供给单节锂离子电池或锂离子聚合物电池的精准充电体系。在升压形式下,芯片将电池电压降低至5.0V由VUSB作为输入来为OTG装备供给电源。在高阻抗形式下,芯片遏制充电或遏制升压,显现一个高阻抗状况,此时从VUSB端和电池端耗损的电流都很小。当手持装备处在待机状况时,此形式能够或许或许或许有用地削减功耗。主机经由进程I2C与HL7005遏制通讯(即所谓的主机形式或32秒形式),能够或许或许或许使芯片在差别的任务形式下完成安稳切换。在不I2C主机时,芯片会启动30分钟宁静按时器并进入30分钟(默许)形式。在30分钟形式任务时代,HL7005将基于寄放器的默许值给电池遏制充电。


下图是HL7005的功效框图:


HL7005任务表示图


HL7005以其优良的品德和机能,经由进程了MTK、展讯、联芯等多家平台厂商的测试认证,参加参考设想。

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