介绍了手机快速充电IC的设计考虑，除了手机，还可应用于平板电脑、无人机等领域，并重点分析了TI公司MaxCharge实现快充的方法。电芯如果采用快充电芯，MaxCharge的bq25892芯片可以做到1.5C电流，34分钟可以从0%充到80%。

集成电路(integrated circuit)是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构;其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”表示。集成电路发明者为杰克·基尔比(基于锗(Ge)的集成电路)和罗伯特·诺伊思(基于硅(Si)的集成电路)。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。

是20世纪50年代后期一60年代发展起来的一种新型半导体器件。它是经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等半导体制造工艺，把构成具有一定功能的电路所需的半导体、电阻、电容等元件及它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片上，然后焊接封装在一个管壳内的电子器件。其封装外壳有圆壳式、扁平式或双列直插式等多种形式。集成电路技术包括芯片制造技术与设计技术，主要体现在加工设备，加工工艺，封装测试，批量生产及设计创新的能力上。

集成电路，英文为Integrated Circuit，缩写为IC;顾名思义，就是把一定数量的常用电子元件，如电阻、电容、晶体管等，以及这些元件之间的连线，通过半导体工艺集成在一起的具有特定功能的电路。

为什么会产生集成电路?我们知道任何发明创造背后都是有驱动力的，而驱动力往往来源于问题。那么集成电路产生之前的问题是什么呢?我们看一下1942年在美国诞生的世界上第一台电子计算机，它是一个占地150平方米、重达30吨的庞然大物，里面的电路使用了17468只电子管、7200只电阻、10000只电容、50万条线，耗电量150千瓦[1] 。显然，占用面积大、无法移动是它最直观和突出的问题;如果能把这些电子元件和连线集成在一小块载体上该有多好!我们相信，有很多人思考过这个问题，也提出过各种想法。典型的如英国雷达研究所的科学家达默，他在1952年的一次会议上提出：可以把电子线路中的分立元器件，集中制作在一块半导体晶片上，一小块晶片就是一个完整电路，这样一来，电子线路的体积就可大大缩小，可靠性大幅提高。这就是初期集成电路的构想，晶体管的发明使这种想法成为了可能，1947年在美国贝尔实验室制造出来了第一个晶体管，而在此之前要实现电流放大功能只能依靠体积大、耗电量大、结构脆弱的电子管。晶体管具有电子管的主要功能，并且克服了电子管的上述缺点，因此在晶体管发明后，很快就出现了基于半导体的集成电路的构想，也就很快发明出来了集成电路。杰克·基尔比(Jack Kilby)和罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)在1958~1959期间分别发明了锗集成电路和硅集成电路[2-3] 。

讲完了历史，我们再来看现状。集成电路已经在各行各业中发挥着非常重要的作用，是现代信息社会的基石。集成电路的含义，已经远远超过了其刚诞生时的定义范围，但其最核心的部分，仍然没有改变，那就是“集成”，其所衍生出来的各种学科，大都是围绕着“集成什么”、“如何集成”、“如何处理集成带来的利弊”这三个问题来开展的。硅集成电路是主流，就是把实现某种功能的电路所需的各种元件都放在一块硅片上，所形成的整体被称作集成电路。对于“集成”，想象一下我们住过的房子可能比较容易理解：很多人小时候都住过农村的房子，那时房屋的主体也许就是三两间平房，发挥着卧室的功能，门口的小院子摆上一副桌椅，就充当客厅，旁边还有个炊烟袅袅的小矮屋，那是厨房，而具有独特功能的厕所，需要有一定的隔离，有可能在房屋的背后，要走上十几米……后来，到了城市里，或者乡村城镇化，大家都住进了楼房或者套房，一套房里面，有客厅、卧室、厨房、卫生间、阳台，也许只有几十平方米，却具有了原来占地几百平方米的农村房屋的各种功能，这就是集成。

当然现如今的集成电路，其集成度远非一套房能比拟的，或许用一幢摩登大楼可以更好地类比：地面上有商铺、办公、食堂、酒店式公寓，地下有几层是停车场，停车场下面还有地基——这是集成电路的布局，模拟电路和数字电路分开，处理小信号的敏感电路与翻转频繁的控制逻辑分开，电源单独放在一角。每层楼的房间布局不一样，走廊也不一样，有回字形的、工字形的、几字形的——这是集成电路器件设计，低噪声电路中可以用折叠形状或“叉指”结构的晶体管来减小结面积和栅电阻。各楼层直接有高速电梯可达，为了效率和功能隔离，还可能有多部电梯，每部电梯能到的楼层不同——这是集成电路的布线，电源线、地线单独走线，负载大的线也宽;时钟与信号分开;每层之间布线垂直避免干扰;CPU与存储之间的高速总线，相当于电梯，各层之间的通孔相当于电梯间……

集成电路或称微电路(microcircuit)、 微芯片(microchip)、芯片(chip)在电子学中是一种把电路(主要包括半导体装置，也包括被动元件等)小型化的方式，并通常制造在半导体晶圆表面上。

前述将电路制造在半导体芯片表面上的集成电路又称薄膜(thin-film)集成电路。另有一种厚膜(thick-film)混成集成电路(hybrid integrated circuit)是由独立半导体设备和被动元件，集成到衬底或线路板所构成的小型化电路。

本文是关于单片(monolithic)集成电路，即薄膜集成电路。

集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛的应用。用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可大大提高。

1 电池容量迅速提升

由智能手机电池的发展趋势(图1)可见，这两年电池容量有所突变。据德州仪器(TI)电池管理产品(BMS)大中华区市场和应用部门经理文司华介绍，电池容量的突变并不在于电池密度是否有显著提高，而在于手机的屏幕变大了，所以电池容量、电池空间增大。另外，电池电压也在不断提高，原来都是4.2V电池，现在变成4.35V，今年有厂家在做4.4V电芯。电压提高的原因是：电芯每增加0.1V，能让电池续航时间提升5%~8%左右。

2 传统的充电设计观念

现在第五代手机(尤其是Android手机)的电池容量能做到3000mAh，对整个系统构架带来挑战，用原来的适配器去充电已经落伍了，以前的适配器，USB 2.0是5V输出，0.5A电流，合计2.5W，现在对智能机有点慢。很多标配的适配器是5V/1A，包括苹果iPhone 5以前也是如此，这已算不错，但也只有5W。对于Android手机，三星以前的Galaxy S4 2600 mAh应该是不够的，S4充电电流是1.5A以上，适配器从5W一直在往上升，真正的BC 1.2(Battery Charging 1.2)协议，包括国标在内的标准适配器是5V/1.5A，就是7.5W。但这对3000mAh的电芯还是不够的。因为电池充电速度其实和电池大小没关系。例如，当智能手环上的电池只有200mAh，是不是用一个输出电流更大的适配器就能让它充得更快?其实不然，因为电池充电是要符合电芯厂规定的最大许可C倍率的。200mAh产品，1C等于200mA，只要把容量拿出来，mAh的小时(h)拿掉，就是1C。通常比较安全的充电速率都是0.5C，但其实0.7C也是很安全的，而且大部分手机可以做到0.7C。所以，不管电池多大都用0.7C充电，其实充电时间是一样的，很大的电芯用0.7C充电，3个多小时也能充满，很小的电池也必须用3小时充满，不能提高得更快。以上是以前的观点。

3 快速充电的两种途径

现在问题来了，如果用3000mAh的电池，要用0.7C充的话，要用0.7×3000=2.1A。但2.1A已经突破适配器的电流，因为常规的适配器是5V/1.5A，2.1A已经突破极限了。所以3000mAh的Android手机的充电时间就会变慢，这是由于快充时，一方面现在的适配器都不能够支持正常的大电量充电，因此充电速率变慢了;另一方面怎样把3个小时再缩短?例如，希望用10分钟把20%的电量充到80%?需要把常规的3.5小时以上缩短到1小时或1.5小时，这是真正的提速和快充。

解决方案的一个关键是提高电流。由于传统的USB输出功率受限，输出电压只有5V，所以出现一个瓶颈，充电线的粗细程度有一定的规范，普遍不能支持2A的电流，原因在于线的阻抗是固定的，电流再大，根据P=I2R，线阻的功率损耗较大，尤其转接头上也有一定的接触电阻，因此有些厂家的方案是配备特殊的线缆，有更小的阻抗。所以，电流增大是个途径，但是必须付出一些代价。例如，去年OPPO推出的闪充，其线材、适配器都是特殊的，这是一种方法。

另一个方法是通过升压的方式，这是目前关注度最高的。而且今年很多量产的手机新品会带有快充，从1C到1.5C不等，国产厂商也一定会有这种方案。以下详细介绍这种升压方案。

升压方案可以把适配器的5V电压提升。之前市场已经有类似的方案，只不过今天我们是从手机内部的Charger(充电)IC角度来看，当适配器能升到7V、9V、12V时，Charger IC怎样应付这种情况。例如，TI的MaxCharge bq2589x是第一款高压输入(最大正常工作电压14V)大电流(5A)充电芯片，它的一个优势是能提升功率而不增加损耗，因为P=UI，在提升电压的同时，功率随之提高，但由于电流没有改变，仍然在2A以下，线缆可以不用换，适配器接口也不用换。

4 手机主板上的快充IC

USB线缆连接到手机上遇到的第一颗芯片叫Charger IC，是放在手机主板上的(图2)。

TI的MaxCharge可以独立识别并兼容普通5V以及更高电压输出的专有适配器。独立识别的意思是，实际上识别高压适配器有很多种方式，比如你可以通过AP(应用处理器，即主芯片)。独立的意思，Charger IC作为主板门户IC能够不需要任何其他芯片的介入，自己就能够识别是5V适配器还是更高电压的适配器。原因是支持D+/D-信号以及VBUS电流脉冲两种适配器的握手信号。

因此，MaxCharge芯片的好处，首先是能够通过支持高输入电压支持快速的充电体验。我们可以把充电IC想象成黑盒子，输入端的功率和输出端功率中间有9%~10%效率损耗，输入端如果电压提升的话，整个输入端功率也会相应提升，输出端是单节锂电池(现在手机、平板大都是单节锂电池，3.7V左右)的电压是固定的，3V~4.2V~4.3V，平台电压一般是3.7V，如果计算，例如输入端功率是7.5W，5V/1A的适配器，假如100%的效率，输出端的电流约是2A。因为输出的电池电压是3.7V、3.8V平台电压，所以：7.5/3.7≈2A。

手机充电器

假如今天是9V/1.5A，即已经升压了，9×1.5=13.5W，输出端如果效率可以达100%，那么输入端电流能够提升。由此可见，在输入电压提升时能够实现快速充电。TI MaxCharge是业界第一款能够同时实现支持5A充电电流和14V输入电压的芯片。

需要说明的是，输入是从外部的适配器过来的，一般是5V。有些适配器可以有高压输出，但通常默认是5V输出，但通过握手协议之后，就会变成高压。当主板(包括AP和Charger IC)使能以后，允许输出高压它就可以输出高压了，所以这个高压是适配器给出来的。

为何平台电压会有3.7V~3.0V变化?可以把电池想象成一瓶水(如图2最右侧)，电流相当于水管的粗细程度，变粗就更快了。水杯的高度是电压，只不过水杯是中间粗、两边细的不规则形状，因此开始充得很快，但中间区域内呆的时间很长，很大的就是3.7V的平台电压。这时候电流如果变得大，注入时间就很快。所以此时快充的突破点是：为了快充，提高了电流。

TI的方案是经MaxCharge转换后电流变大。MaxCharge能支持5A充电电流，14V输入电压。5A是最大的标称值，通常使用时会考虑到各种情况，比如散热和电池容量，所以3A~5A就可以做到这样一种平均的输入电流。

5 快充的效率

充电IC普遍效率是88%、89%，TI MaxCharge bq2589x系列可在3.5A提升到91%，这等于有2个百分点的提升。由于效率的提升，在TI的实测中，温度上升得很低，室温下，测试板上温度仅仅上升18℃，以前要上升30多℃。

温升直接决定了用户体验。因为现在手机的适配器、主芯片、电池充电的温升/散热是很重要的技术瓶颈。所以很多设计体验，由于散热不佳不得不采取折中办法。

6 放电

今天的Charger IC设计，所有的MOS管都集成在里面，采用串联电路，这样充电时要经过MOS管，但放电的时候会受到限制，放电时要通过一个MOS管(Q4)。

图3是charger IC的主流架构图，左侧是适配器的输入端，通过电感电流流进入，最后进入右侧大IC里再充电。现在用手机打电话时，放电过程一定要通过Q4元件，TI MaxCharge bq2589x的特色是，放电电流可以支持得很大，因为Q4的MOS管的阻抗值只有11mΩ(表1)，堪称业界最低的阻抗。打电话进来，主要是功放工作，因为你要搜寻GSM信号时要把功率调得很大，接收塔才能接收到。因此电路这边需要很大的瞬态电流(尖峰电流)。MaxCharge的Q4阻抗很小;如果是其他的设计方案，由于内置Q4 MOS管的阻抗不够小，它里面还要再加元件，增加了成本。

具体来看，图3的电线是有阻抗的，其实IC里也有电阻，这些电阻会增加损耗。如果不计成本，这些阻抗越小越好(注：MOS管阻抗越小IC成本越高)。TI能在相应成本之下把阻抗降到市场最低，这是MaxCharge最大的亮点。以前5V时，电池充电到3.7V~4V，5V、4V和3.7V差异很小，一个5V到右侧3.7V实际差异不大，因此Q3导通的时间很短，这是切换电路：Q2-Q3，Q3-Q2两个交替切换，实现能量高效率转移。以前5V时，Q2的导通时间是最长的，所以Q2的阻抗要越低越好。

9V到14V差距很大，这要求Q2的导通时间要缩短，Q3的导通时间要加长，到了MaxCharge bq2589x，TI第一次把Q3阻抗降得比Q2还要低。Q3阻抗直接降到16mΩ(如表1)。这也是MaxCharge区别于竞争对手的很大差别，即Q3的阻抗直接让MaxCharge的效率有显著提高。

图4是Q2和Q3的损耗，它的切换频率是1.5V，属高频切换，这样的波形一直切换下去进行充电，它的占空比可以从此图看出来。

手机充电器

那么，Q3的16mΩ是怎么实现的?如果看芯片的设计，芯片是在SiO2基板上面做的很多流程。一般MOS管在芯片里占的面积是最大的，众所周知，面积越大电阻越小，电流是垂直穿过去的。要想实现16mΩ，必须要加大MOS管的面积，这样成本也会相应增加。关键在于MaxCharge bq2589x突破了很多设计限制，进行了优化(比如把数字部分缩小一点)，使之与之前的芯片(bq2419x)管脚兼容。

在散热方面，MaxCharge也有一些封装讲究：芯片采用QFN(四方扁平无引线)封装，特点是QFN封装下面有Power Pad(焊盘)。在bq2419x系列之前，手机上的Charger IC最初是集成在PMU里的，采用BGA或CSP封装，等到不得不把Charge分出来的时候，Charger IC也为了节省空间，都用BGA封装。BGA封装，即把晶圆上切割下来的die(芯片)的反面Pad上装上焊球，即die本身就是封装，是最省空间的。MaxCharge之所以采用QFN封装，主要考虑散热，由于QFN封装下面有Power pad，因此封装比BGA大一些，需要焊接在整个电路板上，热是分散的，不是浓缩在一点的。当然，如果电池小的话，也没有必要用大封装快充，也就不需要QFN。

7 快充对电池的寿命影响

两年前TI推出了MaxLife，是为了在快速充电情况下兼顾电池的充电寿命。对于任何一个电芯来说，只要用大电流之后一定会让寿命减少。比如电芯本来有500个循环，用大电流之后，它就只有450个循环。今天的电池技术已经能做到相当多的循环次数，就算用1.5C充电，也能做几百个Cycle(循环)以上。

MaxLife实质上是电量计，利用MaxLife技术实时监控电芯老化特性，具体地，是用电量计控制Charge，Charge初始情况下设置1.5C，但发现电池老化很快的时候可能会把1.5C降下来。

但有些场合不需要MaxLife。例如大平板，平板4000、5000mAh的都有，即要用大电流，就算已经到了3A还不会损坏电池的寿命，还小于0.7C，这样的用户没必要用MaxLife技术。

8 快充适配器

目前的快充是统一的接口，能否快充取决于所用的适配器技术。市场上通用适配技术做不了快充，因为功率限制。适配器必须有升压功能才行，即适配器必须有握手的条件。

9 无线充电可以快充吗?

无线充电能够做到快充，只不过是个系统设计问题。

无线充电的快充，首先一定是高压快充(一定不会是5V的)，因为无线充电的效率要求更加严苛。因无线充电损耗要比有线充电大一些，因此整个线圈损耗要降低，输出要想降低，无线输出电压一点要高过5V才能做到更高效的充电。TI去年年末推出了10W的无线充电——今天最好的适配器也就10W而已。现在iPad2、3也就是5V/1A的充电。

10 IR补偿

高充电电流将在充电路径寄生电阻和内部电池阻抗上引起电压降。较高的阻抗将导致充电过早地进入了恒定电压模式，从而使得充电时间延长。IR补偿把充电器端子电压增至高于电池调节电压(高出的幅度为I x R 压降)，以使充电器能够在恒定电流模式中停留足够长的时间，由此实现快速充电。

具体如图5所示，整个曲线包含的面积单位是mA×h(时间)，即电池的容量，如果电池电压刚开始掉下来时就停止充电，那么电池容量就很小，其实还有一小半的容量没有充满。所以，业界经常谈论的70%、30%的问题，就是花70%的时间充30%的电量，原因是进入到了恒压区;花30%的时间充70%的电量指的是在恒流区，横流区面积很大。最后想真正充满还是需要时间的。除了提升电流之外，绿色线(细线)比红色线充得更快，这是由于MaxCharge使用IR补偿技术，让电池充电过程更多处于大电流恒流区，缩短它的充电时间，所以恒压区就缩短了。仅通过这一项技术，就能实现17%的时间缩短。

究其原因，理想情况下电流是大电容的，用恒流的话，充到4.2V就可以停止了，因为已经充饱了，这是电容的充电。电池是电容+电阻的等效电路，由于电池里内阻的存在，并且电阻在外部也有，所以，充电就不是理想的过程，可以看到既有恒流区又有恒压区，IR补偿的任务是延长恒压区，减少恒流区。

11 电池部门的人员组成

电池部门也是研发人员聚集的重地。以TI公司为例，其BMS部门由七八十名电池专家组成，其中包含化学家和芯片设计人员，他们拥有锂电池管理、充电创新的经验