现在跟着手机装备的锂离子电池容量越来越大，人们希望可以在尽量短的时间内给自己的手机充得满意的电量，以满意自己日常日子和作业的需求。例如，华为P9装备3000mAH小时的锂离子电池，假如希望在一小时内把电池挨近充溢，则需求充电电流在3A以上。为了完结这么大电流的充电，运用开关式充电办理芯片(下面简称快充芯片)是一个很好的计划，这也是业界现在一同的挑选。本文假定咱们对DCDC的作业原理已有根本的了解，首要从技能的视点来剖析使用在手机上的快充芯片的作业原理和规划要求，一同也会扼要介绍其他正在出现的充电技能。
一。 手机的四个充电环节
图1 手机的四个充电环节
图1总结了咱们在实践充电进程中涉及到的四个环节：
1)充电适配器的使命是把220V的市电转化为手机可以承受的5V电压(现在应各种充电协议，如QC和USB PD(Type C接口)等的要求，也要求可以送出9V/12V/14.5V乃至20V的电压。关于充电协议的论题咱们已在前面一篇大众号做过评论)，一同具有必定的功率输出才干，例如5V/2A， 9V/1A等等规范。充电适配器归于AC-DC的技能领域，往常所说的快充芯片其实是对适配器AC-DC芯片和手机端的开关式充电办理芯片(以 DC-DC技能为完结手法)的总称，但本文的快充芯片特指手机端的开关式充电办理芯片。
2)充电线的使命便是担任把电压/电流从适配器端传送到手机端，因为现在绝大多数充电线实践上便是USB线。这里有一个参数需求提请咱们留意。依照USB2.0的规范，线缆需求具有传送最大1.8A的电流才干，因而假如是5V的适配器，USB2.0的线缆最大能传送的功率其实只需9W。
3)快充芯片的使命是把适配器的5V/9V/12V等电压转化成电池的电压，一同依照需求的充电电流准确可控地向电池进行充电。从技能上看，快充芯片是这四个环节中最具有应战的部分，因而现在业界有才干供给高品质高可靠性的快充芯片的厂家十分有限，首要仍是以德州仪器，仙童半导体等少量几家国外大厂为主，国内的希荻微电子经过几年持之以恒的自主研制，已推出了一系列的快充芯片，打破了国外大厂的独占局势，并已在各大手机计划商和品牌商得到广泛的使用。快充芯片具体的作业原理将在下文做具体评论。
4)电池是这个环节十分重要的部分，整个充电环节都是为了使电池快速而安全地充溢电量。电池的首要参数包含：容量(mAH，手机中常见的有2000mAH， 3000mAH和4100mAH)，充电截止电压(现在常见的有4.2V， 4.35V和4.4V规范，更高的充电截止电压，在平等的电池体积情况下，一般具有更高的电池容量，因而现在所谓的4.35V及以上的高压电池逐步在手机上得到更广泛的使用)，以及可承受的最大充电电流等等。其间，可承受的最大充电电流一般以nC来表明。例如一个3000mAH的电池，1C的充电速度是指一个小时之内即可充溢电池，此刻可承受的最大充电电流便是3A;假如答应2C的充电速度，那么理论上半小时就可以充溢电池，则此刻可承受的最大充电电流即为6A;以此类推等等。下文将会看到，电池的这几个参数将对选用适宜的快充芯片发生直接的影响。
二。 经典的三段式充电
其实给锂离子电池充电的进程和咱们日子顶用水龙头向洗脸盆放水的进程十分相似：
第一阶段：当开端给一个空的脸盆放水的时分，为了不让水溅起来，会把水量操控得很小;第二阶段：比及脸盆底部积满了必定水位之后，才把水龙头开得比较大，脸盆里已有的水可以对这样急速的进水起到缓冲作用，然后不会有水花溅起;
第三阶段：当水位快到脸盆顶部的时分，此刻咱们又会逐步减小进水量，以避免有水冲出脸盆之外，直至积满整个水盆。
电池就像这个脸盆，只不过它贮存的不是水，而是电荷。电池的充电也有相似的三个阶段：
第一阶段：涓流充电。电池的特色是，当电池电压(大致相当于水位)十分低的时分，其内部的锂离子活动性较差，内阻较大，因而只能承受较小的充电电流(一般在30到50mA左右)，不然电池简单发热和老化，不只危害电池寿数，而且有潜在的安全问题，因而把这个阶段称为涓流充电，也有同行将之称为线性充电或许预充电等等。
第二阶段：恒流充电。当电池电压高于2V以上，电池的锂离子活动性被充沛激活，内阻也较小，所以可以承受大电流的充电。在这个阶段，快充芯片会依照设定向电池供给可承受的充电电流，因而在这个阶段电池得到的电量也是最大的，可以占到容量的70%到80%以上。
第三阶段：恒压充电。电池是一个十分娇气的储能元件，它的电池电压不答应超越截止电压的±50mV，不然就会有安全隐患。因而，当电池电压被充到挨近充电截止电压的时分，快充芯片有必要可以主动减小充电电流，操控“水花”不要超出范围，直至把电池彻底充溢。
图2 三段式充电示意图
一个合格的快充芯片，有必要可以依据电池电压的凹凸，主动地操控充电进程在上述三个阶段之间进行无缝切换，而无需其他硬件或许软件的协助。
三。 电源途径办理功用
电池的意图是要给电子设备例如手机供电，假如电池没电了，天然手机也就无法作业了，所以这个时分有必要要插上充电器充电。咱们来看看几种不同的快充芯片在运用上的体会有何不同。
图3 不带电源途径办理功用的快充芯片作业示意图
图3是国内厂商推出的第一代快充芯片，请留意红圈所指的方位。此处，既是电池正极所在之处，也是由这一点向手机体系供电。那么咱们很简单想到：当电池电压很低的情况下，即使插入了充电器，即快充芯片现已在对电池进行充电了，但因为此刻电池电压很低，不足以敞开体系，因而手机是无法发动的。只需当电池电压现已被充到满意高之后，手机才干正常作业。
咱们天然会问，有没有一种方法，只需咱们插入了充电器，即使电池电压很低，也可以发动手机呢?方法是有的，只需咱们把给电池充电的端口和给体系供电的端口做一个智能的间隔，就可以到达这个意图。业界把这个功用称为电源途径办理，这个功用也是第二代快充芯片的标志性特色之一。
图4 带电源途径办理功用的快充芯片作业示意图
图4中，给体系供电的SYS引脚和给电池充电的BAT引脚便是两个独立的引脚，在它们之间内部集成了一个智能开关。当电池电压较低的情况下，这个智能开关处于半敞开的状况，把SYS和BAT的电压天然摆开，以确保SYS的电压足以支撑后级体系的作业;当电池电压满意高之后，这个智能开关才彻底敞开，相当于一根电阻很小的导线把SYS和BAT短接在一同，以最大程度下降其间的功耗。
四。 高电压作业
现在的电池容量越来越大，因而在充电的时分，其需求的功率是很大的。例如，一个3000mAH的电池，若以3A对其充电，以3.8V电池电压核算，其承受的功率是11.4W，假定快充芯片的转化功率是90%，那么进入快充芯片的功率便是12.7W左右。依据前面剖析的充电的四个环节，此刻对线缆的要求就来了：假如快充芯片是作业在5V，那就意味着线上的电流是2.5A左右，这不只超出了现有的USB2.0线缆的传送才干，而且这么大的电流会在线缆上形成较大的功率丢失。例如1米线缆的寄生电阻大约是250毫欧，其功耗就差不多1.5W!为了处理这个问题，咱们可以像日子中常见的高压输电线相同，进步传送的电压，线上的电流和功耗也就天然降下来了。仍是方才的比如，若传送的电压换成9V，那么线上的电流就只需1.4A左右，因而现有的USB2.0线缆就满意用了(节约本钱!)，线上的功耗也仅有0.5W。相应地，快充芯片也需求在9V，12V乃至20V的作业电压下正常作业。这是对快充芯片的一个重要要求。
五。 转化功率
手机是一个用户体会至上的电子设备，在充电方面，个人用户不只需求充电快速安全，一同更喜爱发热较低的手机。为了完结这个方针，对快充芯片的要求天然便是高转化功率。当然除此之外，还需求快充芯片选用低热阻的封装，例如带散热盘的QFN封装;在手机规划的时分，也应对散热办法多加考虑等等。可喜的是，国产厂家充沛认识到了转化功率对用户的重要性，产品在指标上现已赶超了国外品牌，如图5所示。
图5 快充芯片的转化功率曲线
六。 充电参数的可装备性
正如前面临电池的剖析，因为不同的电池可以承受的电流才干不同，其充电截止电压也不相同，这要求快充芯片可以依据不同的电池，经过软件装备不同的充电参数，以进步快充芯片的通用性。一般，快充芯片是经过I2C接口来完结这些装备。其他需求装备的常见参数还有：
输入电压限压阈值;
输入电流限流阈值;
充电截止电流;
芯片的作业形式操控。
七。 耐压和抗浪涌才干规划
在手机里边，快充芯片是USB/Type C接口进来看见的第一颗芯片。充电线的重复插拔会带来很高的毛刺电压，这需求快充芯片具有杰出的耐压才干;在USB2.0的使用下，需求快充芯片具有20V以上的耐压才干。更具要挟的是电网经过适配器传送过来的浪涌电压，尤其是在像印度这样电网十分不稳定的区域，其浪涌电压会高达300V以上，这要求快充芯片在加上维护器材(例如TVS)的情况下能安全作业而不会被损坏。
八。 其他要求和其他快充技能
用于手机上的快充芯片，其功用希望还包含OTG功用，检测电池温度，体系复位和输运形式的功用等等。别的，现在正在鼓起的低压直充技能也是十分值得重视的方向，其做法与高压快充正好相反，是经过下降适配器的输出电压，在恒流充电阶段使其与电池电压坚持满意小的同步压差盯梢，以此进步充电电流，并一同进步转化功率。限于篇幅这两方面的内容就不逐个展开了。欢迎有爱好的朋友和本文作者联络，咱们一同做进一步的讨论，一同努力把咱们我国的快充芯片做好做强做大!
