【導讀】智能手機對于寬帶無線通信、圖像處理等多方面的需求導致實際耗電呈指數(shù)增長。未來5G通信帶寬將比4G增加10倍，4K/8K等高清視頻技術逐漸應用，CPU、GPU等運算電路處理能力不斷增強，這一切都將導致智能手機整體能耗需求將成指數(shù)增長。
電池容量呈線性緩慢增長，能耗需求缺口逐漸拉大。電池技術遲遲無法突破，成為終端使用的最大瓶頸。電池容量增長緩慢，每年線性提升約15%，而能耗則是呈指數(shù)增長，能耗需求與電池性能的差距愈發(fā)明顯。電池性能曲線將與能耗需求曲線嚴重脫軌，提高充電速度成為電池續(xù)航的關鍵解決方案，快速充電已成為市場競爭熱點。
一、快速充電原理
快速充電技術將成為手機標配。在電池容量無法迅速取得突破，手機用電量又飛速增長的前提下，快速充電技術普及尤為必要。中國信息通信研究院對快速充電的定義是：30分鐘充電進入電池的平均電流大于3A或者30分鐘充電電量大于60%。
快速充電系統(tǒng)包括快充標準，快充電源適配器，接口E-marker芯片，充電線纜，手機快充芯片，電池等多個部分。各部分都必須針對不同標準專門設計，才能實現(xiàn)快充功能，并且保證充電安全。
1、 手機的四個充電環(huán)節(jié)
1）充電適配器
充電適配器的任務是把220V的市電轉(zhuǎn)換為手機能夠承受的5V電壓（現(xiàn)在應各種充電協(xié)議，如QC和USB PD（Type C接口）等的要求，也要求能夠送出9V/12V/14.5V甚至20V的電壓。關于充電協(xié)議的話題我們已在前面一篇公眾號做過討論），同時具有一定的功率輸出能力，例如5V/2A, 9V/1A等等規(guī)格。充電適配器屬于AC-DC的技術范疇，平常所說的快充芯片其實是對適配器AC-DC芯片和手機端的開關式充電管理芯片（以 DC-DC技術為實現(xiàn)手段）的統(tǒng)稱，但本文的快充芯片特指手機端的開關式充電管理芯片。
2）充電線纜
充電線纜的任務就是負責把電壓/電流從適配器端傳送到手機端，由于目前絕大多數(shù)充電線實際上就是USB線。這里有一個參數(shù)需要提請大家注意。按照USB2.0的標準，線纜需要具備傳送最大1.8A的電流能力，因此如果是5V的適配器，USB2.0的線纜最大能傳送的功率其實只有9W。
3）快充芯片
它的任務是把適配器的5V/9V/12V等電壓轉(zhuǎn)換成電池的電壓，同時按照需要的充電電流精確可控地向電池進行充電。從技術上看，快充芯片是這四個環(huán)節(jié)中最具有挑戰(zhàn)的部分，因此目前業(yè)界有能力提供高品質(zhì)高可靠性的快充芯片的廠家十分有限，主要還是以德州儀器，仙童半導體等少數(shù)幾家國外大廠為主，國內(nèi)的希荻微電子、漢能經(jīng)過幾年堅持不懈的自主研發(fā)，已推出了一系列的快充芯片，打破了國外大廠的壟斷局面，并已在各大手機方案商和品牌商得到廣泛的應用?？斐湫酒唧w的介紹將在下文做詳解。
4）電池
電池是這個環(huán)節(jié)非常重要的部分，整個充電環(huán)節(jié)都是為了使電池快速而安全地充滿電量。電池的主要參數(shù)包括：容量（mAH，手機中常見的有2000mAH, 3000mAH和4100mAH），充電截止電壓（目前常見的有4.2V, 4.35V和4.4V規(guī)格，更高的充電截止電壓，在同等的電池體積情況下，通常具有更高的電池容量，因此目前所謂的4.35V及以上的高壓電池逐漸在手機上得到更廣泛的應用），以及可接受的最大充電電流等等。其中，可接受的最大充電電流一般以nC來表示。例如一個3000mAH的電池，1C的充電速度是指一個小時之內(nèi)即可充滿電池，此時可接受的最大充電電流就是3A；如果允許2C的充電速度，那么理論上半小時就可以充滿電池，則此時可接受的最大充電電流即為6A；以此類推等等。
二、 經(jīng)典的三段式充電
其實給鋰離子電池充電的過程和我們生活中用水龍頭向洗臉盆放水的過程非常類似：
第一階段：當開始給一個空的臉盆放水的時候，為了不讓水濺出來，會把水量控制得很??；第二階段：等到臉盆底部積滿了一定水位之后，才把水龍頭開得比較大，臉盆里已有的水可以對這樣急速的進水起到緩沖作用，從而不會有水花濺出；第三階段：當水位快到臉盆頂部的時候，此時我們又會逐漸減小進水量，以防止有水沖出臉盆之外，直至積滿整個水盆。
電池就像這個臉盆，只不過它儲存的不是水，而是電荷。電池的充電也有類似的三個階段：
第一階段：涓流充電。電池的特點是，當電池電壓（大致相當于水位）非常低的時候，其內(nèi)部的鋰離子活動性較差，內(nèi)阻較大，因此只能接受較小的充電電流（一般在30到50mA左右），否則電池容易發(fā)熱和老化，不僅損害電池壽命，而且有潛在的安全問題，因此把這個階段稱為涓流充電，也有同行將之稱為線性充電或者預充電等等。
第二階段：恒流充電。當電池電壓高于2V以上，電池的鋰離子活動性被充分激活，內(nèi)阻也較小，所以能夠接受大電流的充電。在這個階段，快充芯片會按照設定向電池提供可接受的充電電流，因此在這個階段電池得到的電量也是最大的，可以占到容量的70%到80%以上。
第三階段：恒壓充電。電池是一個十分嬌氣的儲能元件，它的電池電壓不允許超過截止電壓的±50mV，否則就會有安全隱患。因此，當電池電壓被充到接近充電截止電壓的時候，快充芯片必須能夠自動減小充電電流，控制“水花”不要超出范圍，直至把電池完全充滿。
一個合格的快充芯片，必須能夠根據(jù)電池電壓的高低，自動地控制充電過程在上述三個階段之間進行無縫切換，而無需其他硬件或者軟件的幫助。
三、快充技術標準
常見快速充電技術可分為兩種：
- 高壓快充：通過提高電源適配器輸出電壓來提高終端充電功率和速率
- 低壓快充：通過提高電源適配器輸出電流來提高終端充電功率和速率
國產(chǎn)手機增長迅猛，取得話語權。隨著華為、OPPO、Vivo等國產(chǎn)手機廠商在全球份額不斷擴大，中國廠商產(chǎn)業(yè)鏈整合能力提升，將可以取得快速充電市場的主導權。相比高壓快充方式，低壓大電流在實現(xiàn)同樣功率下效率更高，充電器和手機發(fā)熱更少，將占據(jù)市場主流。
快充標準又有如下：
- 高通：Quick Charge（屬于高壓快充）
- 聯(lián)發(fā)科：Pump Express Plus（Pump Express 1.0和2.0版本是高壓快充路線，從Pump Express 3.0開始移到低壓快充上來）
- OPPO：VOOC方案（屬于低壓快充）
- 華為：兼容QC2.0協(xié)議和海思快充協(xié)議華為快充技術
- USB開發(fā)者聯(lián)盟：Power Delivery
- VIVO：雙引擎閃充
- 聯(lián)想/摩托羅拉：Turbo Charger
- 三星：自有快充方案
- 蘋果：20V 快充技術
1、高通的QuickCharge方案（如QC2.0、QC3.0）
高通QuickCharge采用高壓快充標準。得益于在手機處理器端的統(tǒng)治級地位，目前有超過100種智能手機都采用高通Quick Charge的方案。小米4C，小米note，三星等主流品牌均在采用此充電技術。這與目前高端智能手機所采用的平臺有相當關系。另外，這種技術相對簡單，實現(xiàn)起來相對容易，成本提升不明顯，市場較容易接受。高通QC充電技術有兩個版本，分別是QC2.0和QC3.0，現(xiàn)在QC3.0的手機還很少，普遍還是QC2.0。QC3.0采用高壓快充技術，通過
3.6~20V動態(tài)可調(diào)節(jié)電壓和最大3A電流以實現(xiàn)最大36 W充電功率。同時，QC 3.0采用了最佳電壓智慧協(xié)商(INOV)技術，可讓受電裝置自行判斷，以最適合的功率級別進行充電，將能源轉(zhuǎn)換效率最大化。
2、聯(lián)發(fā)科Pump Express Plus
聯(lián)發(fā)科Pump Express快充技術與高通QC2.0雖在實現(xiàn)方式上有所不同，卻有異曲同工之妙。高通QC2.0是通過USB端口的D+和D-來個信號實現(xiàn)調(diào)壓，而聯(lián)發(fā)科的Pump Express快充技術，是通過USB端口的VBUS來向充電器通訊并申請相應的輸出電壓的。QC2.0是通過配置D+和D-電壓的方式來通訊，Pump Express是通過VBUS上的電流脈沖來通訊，但最終的目的是提升充電器的電壓到5V，7V，9V。
3、OPPO VOOC方案（屬于低壓快充）
稱自己研發(fā)的快充技術為“ VOOC閃充技術“，也是最神秘的快充技術，目前只有OPPO的幾款產(chǎn)品在用，即Find 7和N3等，由于OPPO對此技術有專利限制，其它手機廠商只能嘆為觀止，且成本相對較高，充電器體積較大，便攜方面沒有其它快充技術的好。
OPPO的VOOC閃充技術與傳統(tǒng)充電最大的區(qū)別在于，創(chuàng)新性的將充電控制電路移植到了適配器端，也就是將最大的發(fā)熱源 移植到了適配器。這樣控制電路在適配器，而被充電的電池在手機端，充電時手機發(fā)熱得以很好的解決。為了更好的對充電流程進行控制 (比如控制電路需要實時監(jiān)測電池電壓、溫度等)，OPPO特別在適配器端加入了智能控制芯片MCU，適配器端實現(xiàn)了充電控制電路，智能控制充電的整個流程。
4、兼容QC2.0協(xié)議和海思快充協(xié)議華為快充技術
最近，榮耀發(fā)布了10000mAh快充移動電源。這款電源可以在3.5小時內(nèi)完成100%的充電量，半小時內(nèi)即可給榮耀7充電50%。大體配置如下：高密度 聚合物電芯、支持18W(MAX)雙向快充、兼容海思FCP及其他主流快充協(xié)議、支持Type-C或USB輸出。相關評測證明，該款電源可以為華為P9充 電2.3次、為榮耀V8充電1.9次，為三星S7充電2.3次，可為iPhone6S充電4次。從雙向充電性能及相關數(shù)據(jù)來看，這款產(chǎn)品應該算是國內(nèi)移動 電源市場的旗艦級產(chǎn)品了。
榮耀這款快充移動電源在實現(xiàn)9V2A雙向快充的同時，更支持海思、高通QC2.0、MTK多種快充協(xié)議。在獨家支持榮耀7、榮耀V8、華為 Mate8、P9等支持海思快充協(xié)議的華為/榮耀手機摯愛，還兼容高通QC2.0、MTK等快充協(xié)議，幾乎可以滿足市面上所有主流快充手機要求。
四、快充芯片
現(xiàn)市面上使用的電池管理芯片，主要是TI（德州儀器）和Fairchild（仙童半導體）的產(chǎn)品。另外還有 Dialog 半導體公司 Qualcomm Quick Charge 3.0（QC3.0）芯片組、PI高通QC3.0識別協(xié)議芯片CHY103D，漢能也推出一款適用于智能手機的快充芯片HE4120、希荻微也推出快充芯片HL7005應用方案。
- TI（德州儀器）BQ25895
- Fairchild FAN501A與FAN6100Q
- Dialog 半導體公司 QC3.0 芯片組
- Power Integrations CHY103D
- 漢能HE41201
- 希荻微電子HL7005
1、TI（德州儀器）BQ25895
TI比較有代表性的方案有BQ25895，它的maxcharge技術是將高通QC2.0和聯(lián)發(fā)科的Pump Express，以及TI自身的高性能充電管理做了一次整合，其最大充電電流可達5A，最大輸入電壓14V，可以很好地支持QC2.0和Pump Express標準的充電器。我們對TI提供的BQ25890 demo板實測，在4A充電時，芯片溫度達55度左右（在環(huán)境溫度25度下測試），差不多有30度的溫升，這如果放在手機內(nèi)部，將會是一個重要的熱源。
TI的maxcharge充電芯片的簡易原理圖
BQ25895 評估模塊 (EVM)
TI的maxcharge充電技術的優(yōu)點，由于同時兼容高通QC2.0和聯(lián)發(fā)科Pump Express技術，因此也就同時具備了QC2.0和聯(lián)發(fā)科Pump Express的優(yōu)化點。它缺點也和高通與聯(lián)發(fā)科一樣，整體的效率還不是很高，因此發(fā)熱量較大。
鑒于手機充電部分的發(fā)熱問題，短時間QC3.0和Pump Express plus還未普及，那么我們是否還有其它方案來減小手機充電發(fā)熱量呢？答案是肯定的。我們用兩顆充電芯片同時對一顆電池進行充電，可以減少單獨充電芯片的發(fā)熱量。下圖是BQ25890+BQ25896雙Demo實測，設置兩顆充電芯片的充電電流都為2A，總共4A對電池充電，充電30分鐘后，測到兩個芯片的溫度分別為42度和40度，室溫為25度，芯片溫升分別為17度和15度，比單芯片充電方案的溫升降低了一半。因此，雙充電芯片方案對提高充電效率，減少手機充電發(fā)熱方面具有很大的優(yōu)勢。
Q25890+BQ25896雙Demo實測
2、Fairchild FAN501A與FAN6100Q
伴隨業(yè)界充電通訊協(xié)議QC2.0問世, Fairchild 也提供了最新的FAN501A與FAN6100Q,快充配套方案,符合Qualcomm制定的QC2.0充電標準 ,以搭配高階手機運用。該方案適用平板計算機與智能手機，符合QC2.0快充標準, 提升40%充電速度，具有高效率, 平均效率>85%。而且具有高功率密度, 變壓器小型化。
其線路圖及方案方塊圖如下：
3、Dialog 半導體公司 QC3.0 芯片組
Dialog半導體公司近期宣布，其Qualcomm Quick Charge 3.0（QC3.0）芯片組現(xiàn)已開始量產(chǎn)。該芯片組的獨特之處在于提供恒定的功率分布圖（power profile），以便于配置。該芯片組與QC2.0芯片組引腳兼容，有助于簡化升級，并將繼續(xù)擴大Dialog在快速充電市場上的領先地位，目前Dialog在該市場占據(jù)的份額據(jù)估計為70%。
4、Power Integrations CHY103D
Power Integrations宣布推出的ChiPhy充電器接口IC產(chǎn)品系列的最新器件CHY103D，是首款兼容Qualcomm Inc.旗下子公司Qualcomm Technologies，Inc.所開發(fā)的QuickCharge(QC)3.0協(xié)議的離線式AC-DC充電器IC。
與Power Integrations的InnoSwitch AC-DC開關IC一起使用，CHY103D器件可提供支持QC3.0所需的所有功能。QC3.0協(xié)議與CHY103D器件的完美結(jié)合可極大降低智能移動 設備在快速充電過程中所產(chǎn)生的損耗。這一特點允許系統(tǒng)設計師選擇提高手機的充電速度或是降低手機在充電過程中的觸摸溫度，并且提高充電過程的效率。
該IC能夠使電壓以200mV的增量發(fā)生變化，而不是當前許多快速充電設計中所采用的更大階躍（例如，從5V到9或12V），因此可提高充電效率并降低熱耗散。此項技術能夠讓移動設備優(yōu)化離線式充電器的供電電壓，從而最大程度地降低手機內(nèi)部充電管理系統(tǒng)中的功耗。
CHY103D具有豐富的保護功能，包括可防止輸出超過設定輸出電壓的120%的自適應輸出過壓保護(AOVP)、可檢測局部短路并停止功率輸出以防止 電纜和連接器過熱的輸出軟短路保護(OSSP)以及可在檢測到故障的情況下使受電設備遠程關斷適配器的遠程關斷保護(RESP)。
CHY103D器件自身在5V輸出時的功耗還不到1mW；當與高效率的Inno Switch器件結(jié)合使用時，這種低功耗可幫助設計師滿足嚴格的充電器效率要求，例如，即將實施的美國外部電源聯(lián)邦標準的修訂版。
CHY103D器件適用于平板電腦、智能手機、Bluetooth 附件以及USB功率輸出端口等移動設備的電池充電器。同時，它還與Quick Charge 2.0產(chǎn)品兼容。
5、漢能HE41201
漢能科技股份有限公司推出的一款適用于智能手機的快充芯片，其性能比TI（德州儀器）、Fairchild（仙童半導體）的產(chǎn)品更具優(yōu)勢和性價比。那么這款芯片究竟有何過人之處呢？我們通過比較來看看這款芯片的特點：
從上圖我們可以得之，漢能科技主推的這款快充芯片的型號叫HE41201，采用WCSP20的封裝格式，與TI 主推的BQ24157/8是PIN對PIN的產(chǎn)品。且該款電池管理芯片也是開關式的電源方案。與線性的電源方案比，開關式的電源方案轉(zhuǎn)換效率更高，發(fā)熱更小。
6、希荻微電子HL7005
希荻微HL7005提供完整的全自動的三段式充電管理：涓流預充電，大電流恒流充電和恒壓充電。當電池電壓降到內(nèi)部閾值以下時，芯片自動重啟充電周期。如果輸入電源斷開，芯片將自動進入阻止電池電流泄漏到輸入端的高阻模式。當芯片溫度達到120℃時，芯片會自動減小充電電流以防止芯片過熱。
HL7005有三個工作模式：充電模式，升壓模式和高阻抗模式。在充電模式下，芯片提供單節(jié)鋰離子電池或者鋰離子聚合物電池的精準充電系統(tǒng)。在升壓模式下，芯片將電池電壓升高至5.0V由VUSB作為輸出來為OTG設備提供電源。在高阻抗模式下，芯片停止充電或者停止升壓，呈現(xiàn)一個高阻抗狀態(tài)，此時從VUSB端和電池端消耗的電流都很小。當手持設備處在待機狀態(tài)時，此模式可以有效地減少功耗。主機通過I2C與HL7005進行通信（即所謂的主機模式或者32秒模式），可以使芯片在不同的工作模式下實現(xiàn)平穩(wěn)切換。在沒有I2C主機時，芯片會啟動30分鐘安全定時器并進入30分鐘（默認）模式。在30分鐘模式工作期間，HL7005將基于寄存器的默認值給電池進行充電。
下圖是HL7005的功能框圖：
HL7005工作示意圖
HL7005以其優(yōu)異的品質(zhì)和性能，通過了MTK、展訊、聯(lián)芯等多家平臺廠商的測試認證，列入?yún)⒖荚O計。
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