最常见的手机电池快充方法

toyzzhan

电池快充的本质就是在单位时间里将尽可能多的电能送入电池存起来，而电池电压是由其自身的状态决定的，我们在实施快充时能改变的唯有电流而已，所以快充就是大电流充电。获取大电流可以有两个方法，一个是电源本身就是大电流输出的，这时将大电流引入电池即可。很显然，这时的电源电压应当与电池电压相当，实际上是需要略高一点点，多出来的部分就落在电源与电池之间的连接电阻上了。另一个方式是将高电压转变为大电流，这时的电源电流并不大，但在转变为低电压以后的电流变大了，这就需要使用具有降压和电流放大功能的转换器，多数情况下这样的需求就是由 Buck 转换器来满足的，本文将把另外一种方法介绍给你。最早使用大电流实现快充的手机品牌好像是 OPPO，他们把手机的充电接口做了改造，传输线和充电适配器也是特制的，因为传统的东西在这时候根本满足不了需要，其充电接口上的电压就是电池电压，与传统方案明显不同。这个方案也被后来的许多厂商借鉴并且有了更快的速度，如华为的超级快充技术。要在传统接口不改变的情况下传输高电压也是可以实现快充的，但是充电用的电源适配器必须做出改变，需要能够输出高电压，而芯片大厂高通和联发科技就这么干了。实际上，这两种方法都改变了电压，一个升高，一个降低，同时还要能够适应传统的 5V 供应，所以手机和电源之间必须加入通讯的功能，以便双方能够沟通需要的电压和/或电流。传统手机的 USB 充电口可以利用的就只有 4 条线，两条供 VBUS/GND 使用，两条供 D+/D- 数据线使用，所以就出现了两种通讯方案：一种利用电源线上的负载脉冲来传递信息，一种利用 D+/D- 的状态改变来传递信息。当 USB Type-C 型接口出现以后，可以利用的东西就多了起来，它的 CC 线可以进行双向通讯，后来就出现了 PD（电源传输）协议，把可程控电源（PPS）变成了一个现实可行的东西，到今天已经开始普及了，我所在的立锜也趁此机会在 AC/DC 领域里巩固了自己的立足之地，获得了众多大厂的鼎力支持，本号文章里解剖过的华为产品只是其中的冰山一角，但这已经足以值得立锜人自豪了，至少我自己是多少有点这个感觉的，过去可不敢有这样的想法。当 5V、远高于 5V 的高电压和相当于锂离子电池电压的低电压都会同时出现在手机端口上时，手机里的充电管理系统应该如何做呢？很显然，相当于锂离子电池电压的电压出现时，我们将电池和充电端口直接接通即可实现充电过程，这时候需要在两者之间加入一个可控的智能开关对此过程进行管控，其电路图就如下图所示的样子：

这个图看起来简单，外围几乎没有什么元件，但实际的 IC RT9750 内部还是很复杂的，因为它毕竟是一颗实实在在的充电 IC，需要实施锂离子电池充电的各种策略，而通讯接口的存在则赋予其灵活性，设计者可以通过它向其内部发送各种指令或是读取其内部检测到的状态，其内部框图是这样的：

其核心是从 VBUS 到 VOUT 之间的开关，其他的一切都是围绕它而存在的供电、检测和控制电路。如果充电用电源适配器和接口都是特制的，在手机里用这颗 IC 负责充电大概也就够了，但如果不是这样的，外加一颗可以接受 5V 电源的充电 IC 也就是必须的，这样可以保证几乎任意一个手机充电适配器都可以连接上来并完成充电而不会有风险存在，因为即使是特殊产品，他们的初始电压也是 5V 的。
当使用 5V 和高于 5V 的电压为手机充电时，使用 Buck 转换器是必须的选择，但它也有自己的缺陷，当负载电流比较大时，要想维持较高的效率会有困难，所以在充电IC的发展道路上又出现了一种依靠电容来降压扩流的方法，其原理示意图和其中的工作流程大概是这样的：

这个图出现在立锜产品 RT9759 的规格书中，形象化地说明了降压工作的原理，而规格书中则提供了详细的推导过程，感兴趣的可以去仔细看看。
这里使用的电容降压方法可将输入电压折半使用，所以需要输入电压是电池电压的 2 倍，而负载得到的电流则是输入电流的 2 倍，转换效率高于 Buck 转换器，所以在快充应用中得到亲睐。这些快充方法都需要知道准确的电池电压，同时将电源电压设置为与电池电压相当或是其2倍，因此需要精确的测量以及和电源之间的通讯能力，而且也需要电源具备可程控的能力，所以使用最新的 USB PD 协议恐怕就是最佳的选择了，这样就有了如下图所示的建议方案：

此图也来自 RT9759 的规格书，其中的主要内容有 4 个，顶部是 RT9759，由它实现电压折半充电，其效率最高达 97.8%，根本不用担心它会给快充造成发热问题；再往下是一个 Buck 架构的充电 IC，图中推荐的型号是 RT9471D 或 RT9467，当然也可以是其他型号，这方面立锜有很多资源可被利用，这样就可以用 5V 或者高达 12V 的电压为电池充电，不需要是很精确的 2 倍电池电压；再往下是 PD 控制器和应用处理器 AP，立锜不涉及 AP 相关业务，但 PD 控制器是立锜的专长，有 RT1711、RT1715 等系列器件可用。这种方案对传统的私家协议也能支持，它们通常利用 USB 的 D+/D- 完成协议处理。
快充技术的下一步会如何发展真的很难说，但我觉得现在的技术在满足手机需求方面应该是够了，或许还可以在集成度等方面有所变化，但要发生结构性的变化则不太容易。无论技术如何变化，目的都是为了让我们的生活变得更如意，就让我们好好享受这一切吧！

转载自— RichtekTechnology 郑刚