手機(jī)電池充電、放電原理與電路結(jié)構(gòu)講解，全網(wǎng)唯一（修改版）

原文來(lái)自微信公眾號(hào)：工程師看海

大家好，我是工程師看海，有朋友反饋本文有幾處計(jì)算錯(cuò)誤，本著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑瓌t，現(xiàn)更正如下（紅色文字部分）。

電池充放電電路是手機(jī)中最關(guān)鍵的電路之一，是手機(jī)一切功能的源頭，如果該電路出現(xiàn)問題會(huì)使得整個(gè)手機(jī)工作不穩(wěn)定， 甚至無(wú)法開機(jī)。手機(jī)的電是從電池來(lái)的，電池電壓經(jīng)過電源管理IC后，輸出到各個(gè)負(fù)載，這個(gè)電源管理芯片叫做PMIC，Power Management IC ，比如下圖所示，電池的電經(jīng)過PMIC后轉(zhuǎn)換為一個(gè)叫做system的電，這就是手機(jī)的主電源，這個(gè)電源有的平臺(tái)叫Vsys，有的平臺(tái)叫VPH_PWR，總之萬(wàn)事萬(wàn)物都是想通的，不管叫什么電，手機(jī)來(lái)其他模塊的電都是從這路電轉(zhuǎn)換而來(lái)的，高端手機(jī)里有上百路電源，低端手機(jī)也有林林總總六七十路電源，都是從Vsys來(lái)的。

有極個(gè)別的情況是Vsys無(wú)法提供負(fù)載大電流要求，此時(shí)可以考慮直接從電池Vbat抽電，當(dāng)然這是非常非常少見的應(yīng)用和設(shè)計(jì)場(chǎng)景。

從電池的角度來(lái)看，它既放電為整個(gè)手機(jī)提供能量，也會(huì)被充電儲(chǔ)存能量，放電時(shí)電流走的是輸出路徑，見上圖綠色曲線路徑，充電時(shí)走輸入路徑，見上圖淺藍(lán)色和紅色路徑，usb充電線的充電電流經(jīng)過typec連接器進(jìn)來(lái)后經(jīng)過PMIC或者輔助充電IC進(jìn)入電池，實(shí)現(xiàn)充電功能；充電路徑中紅色的是電荷泵高功率充電，淺藍(lán)色路徑是BUCK低功率充電，其實(shí)把淺藍(lán)色路徑放過來(lái)就是BOOST升壓結(jié)構(gòu)，因此手機(jī)也可以升壓，通過typec接口給其他設(shè)備用電。

有同學(xué)好奇，為什么充電還要走兩個(gè)路徑？

這兩條充電路徑一條是主充電路徑，一條是輔助充電路徑，輔助充電路徑充電功率大，我們當(dāng)前手機(jī)里的快充主要就是依靠輔助充電IC實(shí)現(xiàn)大功率充電的。

我們結(jié)合下圖的充電電壓電流曲線，再次深刻理解下手機(jī)充電過程，假如電池被過放，或長(zhǎng)時(shí)間不使用，電量非常非常低，甚至低于3.5V，下圖中電池是從3V開始充電的，此時(shí)叫做pre-charge預(yù)充電，預(yù)充電過程就是主充電IC在工作，充電路徑見上圖淺藍(lán)色曲線，USB線纜上的電流和進(jìn)入電池的電流基本一致，經(jīng)過預(yù)充電后達(dá)到T1 CC階段（CC階段是Constant current恒流階段），這個(gè)階段的特點(diǎn)是電池電壓緩慢上升，而電流保持不變，圖中的電流是穩(wěn)定在3A，而電池電壓逐漸從3V上升到3.5V，電池電量緩慢上升。

接下來(lái)到達(dá)時(shí)間T2-T3也是CC階段，從T2開始，輔助充電IC開始介入充電過程，充電路徑見上圖紅色曲線，此時(shí)的充電功率有了大幅變化，USB充電線上的電流可以達(dá)到4A，進(jìn)入手機(jī)的電流是USB電流的2倍，大約是8A，圖里輔助充電IC是降壓電荷泵充電架構(gòu)，特點(diǎn)是電壓減半，電流加倍，USB提供的電流是4A而充進(jìn)電池的電流是8A。假如USB提供的大約是8V，電池電壓是4V，這就是電壓減半、電流加倍，8V*4A=32W，此時(shí)充電器的充電功率大約是32W，這里格外提一點(diǎn)，電荷泵的原理參考以前文章：《一文理解電荷泵電源原理》。

快充的持續(xù)時(shí)間是很短的，當(dāng)電池到達(dá)一定程度后，充充電電流就會(huì)下降，充電過程進(jìn)入T3-T4，此時(shí)的特點(diǎn)是，電池電壓不變，而電流逐漸降低，此時(shí)叫做CV過程，Constant voltage，恒壓充電，不過呢，usb電流和電池電流還是保持1:2的關(guān)系，此時(shí)的充電功率也不低。

T4時(shí)間以后，充電功率就明顯下降，輔助充電IC休息了，讓主充電IC慢慢工作，此時(shí)是就進(jìn)入CV階段，電池慢慢也就充滿電了。

以上就是手機(jī)充放電架構(gòu)及工作流程的介紹，需要說(shuō)一句的是，手機(jī)的電量和電壓不是100%正相關(guān)關(guān)系，在要求不高的場(chǎng)合我們可以用電池電壓粗略估計(jì)電量，但是在手機(jī)這種對(duì)電量準(zhǔn)確性要求高的場(chǎng)合，高精度體驗(yàn)友好的電量計(jì)設(shè)計(jì)是非常重要的，因此需要結(jié)合電壓和電流對(duì)電量進(jìn)行估計(jì)和擬合，比如有的電量計(jì)就用卡爾曼濾波估計(jì)電量，更簡(jiǎn)單點(diǎn)的做法是對(duì)電流積分來(lái)和電壓互相補(bǔ)充來(lái)估計(jì)電量。此外，電池低電量時(shí)放電會(huì)特別快，不能讓用戶上一秒看手機(jī)還有15%的電，下一秒就突然變成1%了，甚至有的手機(jī)玩一玩游戲，電量反而蹦高了，這都是非常不友好的體驗(yàn)。

我們看下實(shí)際充電曲線，上圖是某手機(jī)實(shí)測(cè)的充電曲線，黃色是usb電壓，藍(lán)色是usb電流，橙色是功率，大功率的持續(xù)時(shí)間只有1小段，該手機(jī)使用了更復(fù)雜的電池和充電架構(gòu)設(shè)計(jì)：120W秒充技術(shù)，它采用的是兩顆電荷泵設(shè)計(jì)，將USB網(wǎng)絡(luò)的20V6A高電壓和高電流轉(zhuǎn)換為兩路10V6A電壓電流，最終匯合成10V12A的大電流輸入電池，實(shí)現(xiàn)120W高級(jí)秒充，為了實(shí)現(xiàn)10V12A電池充電，該手機(jī)使用雙串電池架構(gòu)，雙電池串聯(lián)的特點(diǎn)是：總電壓升高、容量不變；雙電池并聯(lián)的特點(diǎn)是：總電壓不變，容量升高。由于電池串聯(lián)，總電壓加倍，在總電流相同的前提下，串聯(lián)設(shè)計(jì)將會(huì)帶來(lái)更快的充電功率。

以上就是手機(jī)充電放電架構(gòu)和工作流程的介紹，然而筆者更期望的還是電池技術(shù)本身的進(jìn)步，容量更大、更穩(wěn)定、充電更快的電池才是根本。

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審核編輯：湯梓紅