快充技术及电源IC芯片的浅显认识

随着近年来智能手机的普及，手机在人们日常生活中的功能由仅仅局限于打电话，发展到集商务、娱乐、信息交流和生活支付为一体。各种APP的喷涌而现，为了满足其应用需求，智能手机在硬件的配置上也在飞速发展，大屏幕、处理器、RAM 和 ROM较往日翻倍，但同时，高频处理器、蓝牙、GPS 和 WiFi等等功能都在大量的消耗电池的电量。然而，限于体积，手机锂离子电池容量的提升已达到极限，较长的充电时间和较多的充电次数严重影响了手机使用体验。可喜的是，快速充电技术的出现另辟蹊径，解决了困扰已久的手机续航问题。
快充技术指的是一种能够在最短时间内迅速达到电池能够存储的电量，并且在这个过程中不会对电池的寿命造成负面影响的技术 。现在市场上主流的手机快充技术有四种，其中有：OPPO的VOOC闪充技术、联发科MTK 的 Pump Express Plus、华为Super Charge快充技术和高通的 Quick Charge3.0。本文首先会对这四种快充技术的原理进行分析，然后简略地介绍快充控制芯片内部模块设计及其发展改进。
1.快充技术的分类
从快充主要原理来讲：功率（P）=电压（U）x电流（I），在电池容量量一定的情况下，功率标志着充电速度，那么将会有三种方法来缩短充电时间：

OPPO的VOOC闪充技术

作为提高适配器输出电流的代表，OPPO的VOOC闪充技术，把控制电池充电电流的电路设计在适配器中，适配器以 5V 大电流输出，从而提升充电速率。由于采用了特殊材料的连接线可以保证连接线能够承受较大的电流，同时该连接线的材料阻抗低于普通材料的 USB 连接线，可以减少由于大电流带来的连接线损耗。作为 OPPO 的独门绝技，该充电技术具有一套定制的电路、电芯、接口、数据线，配以智能 MCU 芯片的适配器。但由于其把恒流电路、恒压电路、温度检测电路以及各类保护电路都设计在了适配器中，在手机内部仅有一个限流电阻，防止充电电流过大。这使得闪充技术受到一定的局限性：它必须定制的各种特殊的元器件，并且不能于其他适配器混用，最终导致现在市场上使用闪充技术的手机厂商及机型都很少。

联发科MTK 的 Pump Express Plus
MTK 现在的快充技术有两种规格，一种是 Pump Express，另一种就是 Pump Express Plus。内置于手机内部的电源管理芯片（Power Manager IC,PMIC），通过Pump Express Plus，Pump Express 协议，允许适配器根据电流决定充电所需要的初始电压，PMIC通过 USB 连接线的 Vbus 把指令传输给适配器，适配器根据指令调整输出电压，适配器输出电压可跟随指令逐渐增加，其中指令是通过脉冲电流的形式传递的。
其中，Pump Express，它可以控配器以 5V/4.8VV/4.6V/4.4V/4.2V/4V/3.8V/3.6V 输出，输出功率小于 10W；而Pump Express Plus在Pump Express 的基础上增加了 12V、9V 和 7V 三个档位，可以控制适配器输出大于 15W 的输出功率
这一套 MTK 的专有协议，旨在为功能手机、智能手机及平板电脑等移动设备
快速充电，其最大充电速度比传统充电器快 45%，它能够更加高效地向电池输送电能，从而缩短充电时间，但协议的具体内容 MTK 尚未公布，另外从技术角度上来看，它是通过脉冲电流信号来传递指令，其抗干扰性和稳定性可能还需要进行更多的验证。
三．高通的 Quick Charge2.0
QC2.0 技术分为 A 级和 B 级两种标准，其中 A 级标准适用于手机、平板电脑以及其他的小型设备。输出电压规定为 5V、9V 和 12V 三种电压，这意味着高电压的适配器器可以匹配更多的设备，从而减小劣质充电线和较长充电线所带来的损耗，从而进一步的提升充电功率。另外 B 级标准在 A 级标准上增加了一个 20V 电压，输出电压规定为 5V、9V、12V 和 20V 四种电压。
QC2.0 其工作原理是：手机通过 USB 连接线的 D+/D-两个端口传递电压信号，只要适配器中含有可以解码该电压信号的芯片，并检测到D+和D-上的电压后，就可以控制 AC-DC 电源芯片使适配器输出的电池充电所需要的电压。
具体D+和D-上的电压和充电器输出电压对应：

注：当DP=3.3V，而DM=3.3V時，充电头输出20V。
当DP=0.6V，而DM=3.3V时，表示QC将进入continuous mode（也就是QC3.0模式）。
尽管通过 D+/D-传递电压信号的稳定性和抗干扰性明显高于 MTK 的电流脉冲信号，但这一快充技术的实现必须要求适配器能够解码 QC2.0 协议，这也就限定了适配器的匹配范围，而且其电压切换时会造成手机发烫。其升级版QC3.0通过移除手机DC/DC转换器简化无线充电器架构，全面使用了Type-C接口取代原来的MicroUSB接口，提升最大电流到3A，大大降低DC/DC转换电路的明显损耗，从而有效缓解了快充时的发热问题。QC4.0则又加入了“智能最佳电压技术”（INOV），并且加入USB PD支持。相比QC3.0 200mV的步进电压调节档位，QC4.0进一步优化INOV算法，极大地提高精度，实现为电池提供最适合的充电电压，减少快充的无用损耗。

华为Super Charge快充技术

华为SuperCharge低压大电流快充方案，采用4.5V/5A或5V/4.5A输出，跳过了手机端的电压转换，直接从充电器输出电池电压和最大充电电流。其采用电荷泵原理，将外部的10V/4A充电变为内部5V/8A的充电转换。同时，通过大幅领先业界的降阻抗技术（较其他厂商手机的阻抗降低60～80%）和散热设计技术（8层高导热散热层等），解决了超大电流充电的机身发热和散热问题。
电荷泵原理图：

2.手机快充控制芯片
快充控制芯片的设计首先确认要满足哪种快充技术方案。基于此对芯片进行应用的定义，时序的定义以及引脚的定义。芯片应用的定义确定了芯片的应用范围，时序的定义保证了芯片能够握手我们之前确定的协议，引脚的定义满足了芯片能够实现预定功能的要求。
快速充电控制芯片内部模块包含带隙基准源、计时模块、快充实现模块和恒压限流模块。

带隙基准模块
无论在数字电路中还是在模拟电路中，带隙基准已然成为集成电路中最重要的模块电路。一个与电源电压变化和温度变化无关的参考电压是实现整体芯片高精度、高稳定性和高可靠性的重要保障。
要实现与电源电压变化和温度变化无关的基准，我们可以把带隙基准分成两部分来看，一部分是与电源电压变化的基准，我们可利用自偏置电路得到一个与电源电压无关的电流，乘以固定阻值的电阻得到到一个与电源电压无关的电压；另一部分是与温度变化无关的基准，我们可以把两个具有相反温度系数的量适当的叠加，那么就可以显示出零温度系数，选取两个具有相反温度系数α_1和α_2的电压 V1 和 V2进行叠加即可得到一个与温度无关的电压基准V_ref=α_1 V_1+α_2 V_2。 
带隙基准模块内部的具体电路包括带隙基准（BG）电路、基准分压电路、基准电流源电路和欠压保护(UVLO)电路。BG 电路、基准分压电路和基准电流源电路都采用了温度补偿和负反馈实现了较低温度系数的要求，可以为芯片其他模块提供精确的基准电压和偏置电流。同时 UVLO 电路采用了类似于带隙基准电路的结构，保证了启动电压可能受到工艺制造误差而引起的变化的范围较小。
快充实现模块
快充实现模块是芯片中的逻辑实现模块，它不但负责把手机传输回来的电压信号转换为数字信号，判断该手机是否某一快充技术协议，并控制计时模块是否工作，以及控制恒压限流模块的输出信号。
快充实现模块内部的具体电路包括快充模式启动电路、快充信号检测电路、快充模式使能电路和快充电压选择电路。这四个电路构成了本芯片主要的工作逻辑，启动电路用于检测手机是支持某一协议，检测电路用于检测手机反馈的数字信号，使能电路用于反馈手机该适配器为快充适配器，选择电路用于保证芯片正确的逻辑以及为恒压限流模块选择正确的基准电压。
计时模块
当手机接收到充电信号时会通过端口给芯片反馈电压信号，如支持高通的 QC2.0 协议的手机，在这过程中需要 D+和 D-两个端口保持短路 1.25s。另外在进入快充模式后，手机会通过 D+和 D-端口向芯片传回手机所允许的最大充电电压，为了保证不会出现震荡或误判，芯片中还设计了一个 39ms 的延迟，以确认36ms 之后 D+和 D-的信号是否仍然保持不变，是则控制 AC-DC 芯片使适配器输出手机所允许的最大充电电压。可见，快充控制芯片中必须有一个计时模块来精确计算时间，以实现对应的逻辑运算控制。
通常来说，计时模块中都包含三个子电路：震荡发生器（OSC）、时钟控制电路和计时电路。在计时模块中 OSC 电路产生方波，时钟控制电路和计时电路利用方波的周期实现精确计时。
恒压限流模块
手机反馈回来的信号经过快充实现模块的编译选择不同基准电压加载到恒压限
流模块。恒压限流模块包含了两个运算放大器，它是芯片的输出模块。
恒压限流模块内部的具体电路只有恒压限流电路（由两个运放组成，实现普通的一级放大）、恒压限流外围电路（补偿恒压限流电路的系统环路的稳定性）。
3.快充控制芯片技术路径及快充行业发展
如今，电池技术发展受到阻碍，处于科研前沿的石墨烯超级电池的正式商用貌似遥遥无期。所以无论是当下还是不久的未来，快充技术都将是解决手机续航问题的最为有效解决方案。
但我们可以看到的现象是：市面流通的快充技术，由于“高压低电量、低压高电流和同步提供电压电流” 标准划分为三大派系，并且各个手机厂商有属于自己快充标准，使得各个细分协议存在极大差异，兼容性更是无从谈起（一个充电器即可满足所有数码设备快充需求）。

值得庆幸的是，这一困扰智能手机用户的难题已为第三方方案供应商所解决。他们设计的电源管理芯片可适配众多快充技术标准，同时支持如华为SuperCharge、OPPO的VOOC以及高通的QC4.0等协议标准，并广泛应用在充电宝、充电器和车载充电等不同细分领域之中。
如SW3517 ，便是一款高集成度的多快充协议双口充电芯片。它不仅支持 A+C 口任意口快充输出，还支持双口独立限流。其集成了 5A 高效率同步降压变换器，可支持多种快充协议、CC/CV 模式以及双口管理逻辑。外围只需少量的器件，即可组成完整的高性能多快充协议双口充电解决方案。

无论是哪种快充技术，快充控制芯片必将朝着高兼容（适配众多快充技术标准）、智能化（算法控制提供合适电压，减少损耗）、多场景（广泛应用在充电宝、充电器和车载充电等不同领域）的技术路径发展。
从目前的快速充电市场看，高电压恒电流的快充模式被普遍厂商所接受。无论是高通的 Quick Charge还是联发科MTK 的 Pump Express Plus都采用着这样的方案，不过同时也带来了较大的安全隐患。虽然高电流恒定电压的模式会显得更安全，但USB Power Delivery方案所提倡的的标准统一符合了消费者的需求，方为快充技术未来的发展趋势。
值得注意的是，快充领域的一项新的技术——无线快充技术，正在快速地崛起。同时，越来越多的GaN器件被运用到快充产品中，其相较于第一、二代半导体材料的高热导率和耐压性能更是给快充市场带来新一轮冲击。

‘’不忘初心，方得始终‘’。无论是哪款快充控制芯片，哪种快充技术，其目的都是为了解决智能手机日常使用场景中的续航问题。我们理应抱有如此美好期盼：快速充电技术将会给我们带来更为安全、更为快捷、更为统一兼容的充电体验。
我好像忘了PD的原理介绍啊啊啊啊，对不起啦，没精力了