长篇好文，手机充电放电架构与工作流程原理讲解

Posted 2023-02-17 工程师看海

原文来自微信公众号：工程师看海

电池充放电电路是手机中最关键的电路之一，是手机一切功能的源头，如果该电路出现问题会使得整个手机工作不稳定， 甚至无法开机。手机的电是从电池来的，电池电压经过电源管理IC后，输出到各个负载，这个电源管理芯片叫做PMIC，Power Management IC ，比如下图所示，电池的电经过PMIC后转换为一个叫做system的电，这就是手机的主电源，这个电源有的平台叫Vsys，有的平台叫VPH_PWR，总之万事万物都是想通的，不管叫什么电，手机来其他模块的电都是从这路电转换而来的，高端手机里有上百路电源，低端手机也有林林总总六七十路电源，都是从Vsys来的。

有极个别的情况是Vsys无法提供负载大电流要求，此时可以考虑直接从电池Vbat抽电，当然这是非常非常少见的应用和设计场景。

从电池的角度来看，它既放电为整个手机提供能量，也会被充电储存能量，放电时电流走的是输出路径，见上图绿色曲线路径，充电时走输入路径，见上图浅蓝色和红色路径，usb充电线的充电电流经过typec连接器进来后经过PMIC或者辅助充电IC进入电池，实现充电功能；充电路径中红色的是电荷泵高功率充电，浅蓝色路径是BUCK低功率充电，其实把浅蓝色路径反过来就是BOOST升压结构，因此手机也可以升压，通过typec接口给其他设备用电。

有同学好奇，为什么充电还要走两个路径？

这两条充电路径一条是主充电路径，一条是辅助充电路径，辅助充电路径充电功率大，我们当前手机里的快充主要就是依靠辅助充电IC实现大功率充电的。

我们结合下图的充电电压电流曲线，再次深刻理解下手机充电过程，假如电池被过放，或长时间不使用，电量非常非常低，甚至低于3.5V，下图中电池是从3V开始充电的，此时叫做pre-charge预充电，预充电过程就是主充电IC在工作，充电路径见上图浅蓝色曲线，USB线缆上的电流和进入电池的电流基本一致，经过预充电后达到T1 CC阶段（CC阶段是Constant current恒流阶段），这个阶段的特点是电池电压缓慢上升，而电流保持不变，图中的电流是稳定在3A，而电池电压逐渐从3V上升到3.5V，电池电量缓慢上升。

接下来到达时间T2-T3也是CC阶段，从T2开始，辅助充电IC开始介入充电过程，充电路径见上图红色曲线，此时的充电功率有了大幅变化，USB充电线上的电流可以达到8A，进入手机的电流是USB电流的2倍，大约是8A，图里辅助充电IC是降压电荷泵充电架构，特点是电压减半，电流加倍，电池充电电流是8A，假如电池电压是4V，那么此时电池舜时充电功率就是4*8等于32W，USB提供的大约是8V4A也是32W，电荷泵的原理参考以前文章：《一文理解电荷泵电源原理》。

快充的持续时间是很短的，当电池到达一定程度后，充充电电流就会下降，充电过程进入T3-T4，此时的特点是，电池电压不变，而电流逐渐降低，此时叫做CV过程，Constant voltage，恒压充电，不过呢，usb电流和电池电流还是保持2:1的关系，此时的充电功率也不低。

T4时间以后，充电功率就明显下降，辅助充电IC休息了，让主充电IC慢慢工作，此时是就进入CV阶段，电池慢慢也就充满电了。

以上就是手机充放电架构及工作流程的介绍，需要说一句的是，手机的电量和电压不是100%正相关关系，在要求不高的场合我们可以用电池电压粗略估计电量，但是在手机这种对电量准确性要求高的场合，高精度体验友好的电量计设计是非常重要的，因此需要结合电压和电流对电量进行估计和拟合，比如有的电量计就用卡尔曼滤波估计电量，更简单点的做法是对电流积分来和电压互相补充来估计电量。此外，电池低电量时放电会特别快，不能让用户上一秒看手机还有15%的电，下一秒就突然变成1%了，甚至有的手机玩一玩游戏，电量反而蹦高了，这都是非常不友好的体验。

我们看下实际充电曲线，上图是某手机实测的充电曲线，黄色是usb电压，蓝色是usb电流，橙色是功率，大功率的持续时间只有1小段，该手机使用了更复杂的电池和充电架构设计：120W秒充技术，它采用的是两颗电荷泵设计，将USB网络的20V3A高电压和高电流转换为两路10V6A电压电流，最终汇合成10V12A的大电流输入电池，实现120W高级秒充，为了实现10V12A电池充电，该手机使用双串电池架构，双电池串联的特点是：总电压升高、容量不变；双电池并联的特点是：总电压不变，容量升高。由于电池串联，总电压加倍，在总电流相同的前提下，串联设计将会带来更快的充电功率。

以上就是手机充电放电架构和工作流程的介绍，然而笔者更期望的还是电池技术本身的进步，容量更大、更稳定、充电更快的电池才是根本。

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