基于电池内置方案在手机应用中设计

吴旭

（上海锐嘉科科技集团 上海　201315）

基于电池内置方案在手机应用中设计

吴旭

（上海锐嘉科科技集团 上海201315）

为了实现电池内置在手机设计中的需求，通过电池特性和参数介绍，结合电池自身特性和整机电路功耗计算，给出手机出厂时电池电量合理的保有量。根据手机充电电路原理的介绍，尤其是不同电路设计对电池内置方案带来影响和用户体现，软件部分需要的一些相应配置方案。实际应用表明，此设计探讨方案具有良好的使用价值和用户体现效果，达到电池内置方案在手机中设计要求。

电池；内置；充电；过放；激活

当年当苹果手机呈现在世人面前时，它的不可换电池设计挑战了所有人的传统习惯，被无数用户所不理解。但最终，大家也逐渐开始接受这样的设计方式。目前市场上很多手机逐渐采用电池内置不可拆卸方案，比如以拥有卓越外观、专业级音质，极致影响和愉悦体现著称的Vivo智能产品，多以采用电池内置方案为主。手机内置电池不仅保证了手机的完整性，同时还提高了产品的美化诠释，将电池塞进机身当中确实有多方面的好处，比如在超薄设计成为手机造型的未来大趋势下，不可更换电池方案将大大节省机身体积，不需要将电池呈现在外方便用户插拔，也不需要留出电池与后盖之间的空间，这些空间将被直接压缩——让用户拥有尺寸上更加纤薄的手机。但是一旦出现电池损坏或无法充电等异常，会直接带来更高的维修成本代价或直接影响用户使用。

1　电池参数选择

1.1电池参数

锂离子电池目前有液态锂离子电池（LIB）和聚合物锂离子电池（PLB）两类。其中，液态锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正、负极的二次电池。正极采用锂化合物-钴酸锂、锰酸锂，负极采用锂-碳层间化合物。锂离子电池由于工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长，是21世纪发展的理想能源载体。

1992年Sony成功开发出锂离子电池。它的实用化，使人们的移动电话、笔记本电脑等便携式电子设备重量和体积大大减小，使用时间大大延长。由于锂离子电池中不含有重金属镉，与镍镉电池相比，大大减少了对环境的污染。合理的锂离子电池选择，对便携式电子设备发挥性能提到至关重要的作用［1］。

表1　电池技术参数

在选择电池过程中，我们应该关注哪些参数？主要是如下5点参数：

1）电池容量，通常采用mAh（毫安时）表示，1 630 mAh就是能在1 630 mA的电流下放电1小时，同时电池的体积越大、越厚，电池的容量越高。与电池容量相关的一个参数是充电电流，充电电流通常用充电速率C表示，C为电池的额定容量。例如，用2 000 mA的电流对1 000 mAh电池容量充电，充电速率就是2C。

2）标称电压，电池刚出厂时，正负极之间的电势差称为电池的标称电压。标称电压由极板材料的电极电位和内部电解液的浓度决定。当环境温度、使用时间和工作状态变化时，单元电池的输出电压稍微变化。手机正常标称电压为3.7 V，高压电池为3.8 V或更高。相同型号电池合理设计下，4.3 V容量比4.2 V容量提升约5-6%，4.35 V容量比4.2 V容量提升约7～8%。

3）电池内阻，锂离子电池的内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力。电子内阻大，会产生大量焦耳热引起电池温度升高，导致电池放电工作电压降低，放电时间缩短，对电池性能、寿命等造成严重影响。如果按照电池内阻150 mΩ，当流经2 A的电流时，这样U=V*I=0.3 V，会导致电池输出电压偏低等隐患。

4）充电终止电压，当锂电池充电电压高于4.2 V后，会开始产生副作用。过冲电压越高，危险性也跟着越高。因此，锂电池充电时，一定要设定电压上限，才可以同时兼顾到电池的寿命、容量和安全性，最理想的充电电压上限为4.2 V。

5）放电终止电压，锂电子放电时也需要有电压下限，当电芯电压低于2.4 V时，部分材料开始破坏。又由于电池会自放电，放越久电压会越低，因此放电时最好不要放到2.4 V才停止。锂电池从3.0 V放电至2.4 V这段期间，所释放的能量只占电池容量的3%左右。因此，3.0 V是一个理想的放电截止电压。充放电时，除了电压的限制，电流的限制也有其必要性。

1.2电池保护板参数

成品锂电池组成主要有两大部分，锂电池电芯和保护板，锂电池电芯由正极板、隔膜、负极板、电解液等组成。正极板、隔膜、负极板缠绕或层叠，包装，灌注电解液，封装后即成电芯。锂电池保护板，顾名思义就是保护锂电池用的，锂电池保护板的作用是保护电池不过放、不过充、不过流，还有就是输出短路保护［2］。

对保护板需要关注的参数如下：

1）ISYS，System Max loading，需要根据手机平台要求。比如3G手机平台大于4 A；4G手机平台要求大于5.5 A；

2）ICC，System Charger CC max current，正常为2±5%A，具体根据项目充电电流要求；

3）VDL，Over-discharge Detection Voltage，以Anatel测试要求为例，推荐为2.5 V；

图1　电池保护芯片连接图

表2　电池保护板引脚定义

4）VODR，Over-discharge release voltage，不同IC参数不同，从2.3～3.0 V不等；

5）OCDT，Over-current Delay time，MTK平台推荐 OC （Over current）的时间为10 ms。

有些保护IC具有向0 V电池充电功能，即对被连接的电池因自身放电，电压变为0 V时进行充电的功能。也有被完全放电后不推荐再度充电的锂离子电池，这是由锂离子电池的特性决定，所以当决定向0 V电池充电允许或禁止时，需要与电池厂商确认详细情况。

2　出厂时电池电量设置

移动终端从工厂出厂到消费者手中往往需要一定时间，比如2个月或者更长时间（国内生产国外销售或国外生产国内销售等）。为了满足到消费者手中，电池不会出现过放保护一旦接入电源可以及时充起电池或开机。如下以手机出厂时保持电量50～55%为例：

关机漏电流120 μA，放置两个月，损耗电量为：0.12 mA *24H*60=172.8 mAh。

同时，电池本身存在自耗电，约一天为1 mV，放置两个月，损耗即为：0.06 V。

以2 500 mAh电池容量为理论计算：

要使得电量保持在50%～55%，即剩余电量为2 500 mAh *50%～55%=1250～1375mAh，根据电池的ZCV（Zero Current Voltage）放电曲线可知，电压点为：3.74～3.76 V。

在此基础上，再与以上损耗掉的进行向上累加，1250～1375 mAh加上172.8 mAh，则为1 422～1 547 mAh，此电压点为：3.77～3.80 V。

再加上0.06 V电芯的自耗电，即为：3.83～3.86 V。

因此，根据以上理论计算，而一般电池出厂时的电压为3.92～3.98 V，本身可以满足出货需求。但是在生产组装和测试环节，本身会耗一部分电池电量，尤其在功能测试阶段耗电量较大。这样就需要在工厂生产线增加工序做再充电操作（备注：以上充放电计算按照ZCV放电曲线所得，与其他计算方式可能存在一定偏差）。

采用出厂时提高手机电池电量，电池可以维护较长的时间。根据手机关机时由整机漏电流与电池自耗电两部分组成，Fairchild或Will半导体公司开发出可配置负载开关和复位定时器芯片 （Configurable Reset Timer with Integrated Load Switch）。采用此芯片手机在出厂前可关断该芯片输出，此时这个系统的漏电流仅为0.2 μA（芯片本身），最大也仅为1 μA，极大的延长电池待机时间，手机出厂3～4个月后不会出现过放的情况。终端用户按开关机按键或充电器插入，可以打开芯片内部Mosfet进入正常的应用场景。

3　充电电路分析和介绍

当便携式设备长久不用或者工厂出货至终端消费者周期交期，仍然会面临电池电量逐渐耗尽使得电池进入过放保护状态。此状态是无法避免或者回避，当电池可拆卸，尤其是功能机时代，通常采用外部电源来激活进行再次充电使用。但对内置电池方案，由于电池固定在整机内部不可拆卸，此时就需要充电方式来激活或者把电池充起。

不同设备的充电电路区别很大，例如有的采用硬件充电芯片去控制整个充电过程；有的手机采用分立元件，用软件控制充电流程。有些平台芯片内部集成充电功能电路，有些平台考虑温升和效率等方面，需要外部专门充电电路，PMIC（电源管理芯片）作为充电检测等。不管这些实现方案是如何构建，其实状态控制控制过程都是基于负反馈原理。

下面基于MT6582手机平台，充电过程如图2所示［3］。

图2　便携式手机设备充电图示

3.1线性充电电路设计

在MTK（台湾联发科）平台方案中，具有DDLO（Deep discharge lockout）功能。当电池电压低于2.5V，PMIC进入深度放电锁止功能，此时VRTC的LDO被关闭。否则，VRTC将要从电池吸取电量，此DDLO功能可以防止电池进一步放电或者对电芯产生损坏［3］。

1）预充电模式

当电池电压处于UVLO（Under-voltage lockout）阶段，当充电器插入时进入预充电模式。此模式下可以分成两个阶段：

当电池电压低于2.2 V（深度放电），以70 mA/550 ms脉冲小电流来对电池充电；

当电池电压高于2.2 V，例如Pre-CC1阶段，此时采用闭环预充电模式，通过保持RSENSE上电压电位差为60 mV （AC充电）或14 mV（USB host），可以计算出闭环预充电电流大小：

当RSENSE=0.2 Ω，可以计算出此阶段充电电流为70 mA 或300 mA，直至电池电压升至3.3 V为止。假如电池过放，为了保护电池充电，采取涓流充电（IUNIT）和两个专用定时器来保护充电行为（BC1.1 Dead-Battery Support）。

如果电池电压总是低于2.7 V，一个5分钟的定时器结束和停止充电；

如果电池电压保持在2.7～3.3 V之间，另一个35分钟定时器结束和停止充电行为。

2）恒流（Constant current）模式

此阶段通过PMIC内部的负反馈网络，保证 （ISENSEBATSNS）电压恒定。此时充电电流为：

3）恒压（Constant voltage）模式

此阶段通过PMIC内部的负反馈网络，保证BATSNS电压恒定。

在恒流阶段的前半段，VBAT较低，VBUS与VBAT压差较大。BJT或mos管和RSENSE电阻上发热大，软件控制充9秒停1秒，停一秒为了散热。因此，就有了“pulse charge”的名称。

由于线性充电方式具有成本低、设计简单优点但发热量大，效率偏低，充电电流较小等缺点，在一些高端产品中逐渐采用开关充电模式来增强用户体现效果。

3.2开关充电电路设计

以 BQ2415x系列芯片作为开关充电方式（switching charge）为例［4］：

CBOOT主要是来当作charge pump（电荷泵）使用的，由下面方框图4可以看出Q2为NMOS管，N-MOS要导通需要Vgs>Vth，但是目前N-MOS放在high side（高电位），Vgs无法大于Vth。所以需要使用CBOOT当Charge pump，将电压升压大于Vbus+Vth，才能打开Q2。由于一般电容的误差相对较大，10 nF的电容可能部分不能使N-MOS导通导致无法充电。因此可以更改为33 nF电容加大电荷，以避免电容偏小导致升压不足隐患。

以BQ25153A/8芯片OTG控制脚介绍：

图3　BQ2415x系列典型应用电路图

图4　BQ2415x功能模块框图（充电模式）

此对带OTG（On-The-Go）功能的项目尤其关键，USB OTG功能可以采用GPIO或I2C来控制。当OTG Pin为高电平时，通过I2C解除限流前限流为500 mA；当OTG Pin为低电平时，通过I2C解除限流前限流为100 mA，预充电电流小加上15分钟定时模式，存在不能满足下载程序电流要求或无法激活电池隐患。因此，OTG功能尽量采用I2C控制，此OTG通过10 kΩ电阻上拉至VREF，保持高电平。

针对此芯片硬件自身因素决定，一些公司逐渐考虑采取软件方式来避免此问题。测试发现在预充电阶段充电IC输出3.54 V时，软件Preloader是可以运行，在Preloader里可以通过I2C把IC的输出电压调高，此时就能激活电池。有些switching charge IC在3.5 V激活脉冲后不能继续输出电压，这种情况就无法采取此方案（比如BQ24153/BQ23156）。

BQ24158/9系列在软件设置前默认输出为3.54 V电压（15分钟模式阶段），电池过放保护后图1中的DO的mos管关闭，CO的mos管打开。锂电池过放激活条件是3.54*0.99> MAX_VODR+Vdiode，因此对保护板需要重点关注如下参数［5］：

3.54*0.99>MAX_VODR+Vdiode（最糟糕情况为0.7 V），需要Over-discharge release voltage（VODR）<2.8 V。如果选择电池的VODR>2.8 V，就存在可能冲起不来或者无法激活异常。

3.3路径管理充电电路设计

根据线性与开关充电电路介绍，通过电池参数合理选择、预充电电流提高或软件优化方案等来解决电池过放激活问题。当电池过放后插入充电器，仍然需要5-8分钟的时间才能唤醒系统，直接带来错觉是手机存在不能充电故障。更糟糕的是，此时你恰好需要使用此设备。带路径管理充电方案通过把充电电流分成充电部分与系统部分，这样就较好的解决此问题。以 NCP185x系列带路径管理 （power path management）充电方案具有如下特征和功效［6,7］：

1）自动输入限流器（AICL）

→NCP185x采用符合100 mA、500 mA、900 mA或1.5 A USB充电规范的输入电流限制器；

→应用自动检测模式在最大充电电流时调整，使其适应输入源能力，并缩短总体充电时间。

2）充电结束时自动断开电池连接（优化电池总体寿命）→许多便携系统的电池寿命在使用几个月后就受到影响，因为电池被持续充电，充电结束后仍恢复充电；

→NCP185x系列在充电结束时自动断开电池连接，仅在出现峰值电流活动（如使用数据流量或GSM通话）时重新连接极短时间。

图5　NCP1851路径管理充电方案电流流向

3）插入充电线缆时即时导通便携设备

→即使是最新设备通常也要求约5分钟左右的初始充电，然后才允许系统启动及被使用。不利的是，当你连接便携设备来充电时，你这时通常也需要使用它！

→NCP1851以及其NCP185x相关系列应用了插入线缆时即时导通系统的技术，一边安全给电池充电，一边单独为系统供电。

4）支援USB“On The Go”（OTG）

→NCP815x系列应用反向升压转换器来提供5 V、500 mA输出以支持USB OTG功能；

5）独特的正向以及负向过压保护（OVP），

→保护便携设备免受过压损伤，NCP185x提供+28V过压保护（OVP）

6）电池温度检测（完全可编程，符合JEITA规范）、充电配置及状态报告机制

①恒流模式

ISYS变化→IBAT是变量

②恒压模式

ISYS变化→ICHG是变量

对带路径管理功能充电方案，ISENSE和BATSNS需要量测电压。在此之外，BATSNS还有电压UVLO（Under-voltage lockout）检测的功能。

BATSNS需要接到给系统直接供电的电源（非电池端），让PMU通过BATSNS检测外部电压以作为开关机条件判断（主要是UVLO）；

ISENSE需要接到电池连接器，此不是为了量测电流，而是让PMU的ADC读取电池电压信息，作为fuel gauge（电池电量计）的计算。

理论上带有Power path功能，在电池不在位或者电池电压比较低时也能够开机。如果担心IBUS供电能力不足，软件可以默认关闭此功能。

4　结论

电池是手机一个重要的功能器件，内置电池是手机一个新的潮流和市场差异化卖点。在带来整机更加美观和产品性能同时，一旦设计时考虑不周全，就可能出现手机供电、充电功能或者性能故障，直接影响到用户使用。本文在电池和保护板参数选型、常用的充电电路介绍基础上，根据手机平台特性和充电激活检测原理机制。结合实际应用环境，给出需要重点关注的硬件相关设计方案和建议。实际表明，该探讨方案在实际中具有良好的参考价值和使用效果，可以避免一些因设计或者选型不合理带来充电故障和供电隐患。

［1］张辉.N90锂离子手机电池规格书［C］.宁波维科电子股份有限公司，2012.

［2］Seiko Instruments Inc.S-8261系列1接电池用电池保护IC ［C］.精工电子有限公司，2012.

［3］ShangYingChung.MT6322_PMIC_Datasheet_V0.1［M］.MediaTek,.2013：32-34

［4］Texas Instruments.BQ241531/156A/158/159 datasheet［M］.USA: Texas Instruments,2012.

［5］Johnson Yang.Battery Selection Guide_V1.4.Mediatek［M］.2014：2-4.

［6］Onsemi semiconductor.NCP1851 datasheet［M］.USA:Onsemisemiconductor,2014.

［7］Onsemi.用于智能手机、平板电脑等便携设备的NCP185x系列新开关电池充电方案 ［EB/OL］.［2014-04-08］.http:// www.docin.com/p-569562401.html

The application design in the mobile phone based on battery built-in solution

WU Xu
（Ragentek Technology Group of Shanghai，Shanghai 201315,China）

In order to satisfy the requirement of the battery built-in solution design in mobile phone,with the battery characteristics and parameters introduced,combined with the battery characteristics and the whole circuit power consumption calculated,and give the reasonable battery volume of factory setting.According to the principle of mobile phone charging circuit,especially different hardware charge solution impact the battery built-in solution,so software need some corresponding configuration scheme.Actual application show that this design solution has good performance and the user reflect effect, achieve the design requirement in mobile phone.

battery；built-in；charge；over-discharge；active

TN929.53

A

1674－6236（2016）13-0143-05

2015-08-02稿件编号：201508003

吴 旭（1977—），男，上海人，硕士。研究方向：信号与信息处理，移动终端硬件设计。