一、开关电源手机充电的能量变换基石前面章节我们掌握了无源器件阻容感储能滤波、二极管单向隔离保护、MOS管可控功率开关。而手机、锂电池充电系统的所有电压变换、充电稳压、快充升压/降压全部依托两类电源架构实现LDO 线性电源纯损耗降压老旧、辅助、小电流场景开关电源储能变换高效率快充主力开关电源包含三大核心拓扑Buck降压、Boost升压、电荷泵电容分压。1.1 LDO线性稳压电源1.1.1 LDO 核心定义与结构LDOLow Dropout Regulator低压差线性稳压器核心结构是功率调整管 误差放大器 反馈电阻网络。本质工作逻辑就是纯电阻分压式降压他是进行能量消耗而不是转化。图1 LDO输入输出电压差异1.1.2 LDO完整工作原理LDO输入端电压Vin,输出端Vout。通过反馈电阻采样输出电压送入误差放大器动态调节内部功率MOS的导通内阻输出电压偏高 → 电压增大内阻 → 分压压降变大 → 拉低输出输出电压偏低 → 减小内阻 → 分压压降变小 → 抬高输出最终实现输出电压恒定不变。整个过程没有储能元件没有高频开关完全依靠线性电阻分压稳压。1.1.3 LDO两大核心参数压差电压指LDO正常稳压需要的最小输入输出压差压差越小电源利用率越高这也是LDO“低压差”的由来(压差就是Vin必须比Vout高多少才能稳压)。损耗功率效率Ploss(Vin-Vout)*Iout所有压差电压全部变成热量耗散在芯片内部。Vin和Vout差距越大、电流越大、发热越高、效率越低。ps:反馈电阻网络:由两个精密电阻组成对输出电压 Vout 分压采样得到反馈电压 Vfb用来实时监视输出电压大小,传递给误差放大器。误差放大器将采样得到的 Vfb 和芯片内部高精度带隙基准 Vref 做比较放大。输出控制信号反映当前输出电压偏高还是偏低。功率调整管一般为 MOS 管串联在输入 Vin 误差放大器传递与输出 Vout 主功率通路全部负载电流流过该管误差放大器输出接到 MOS 栅极改变栅源电压 Vgs。MOS身不是物理电阻但是沟道导电能力变化对外电路呈现受电压控制的可变电阻效果。LDO 正是利用这个特性改变功率 MOS 的等效内阻让多余电压消耗在功率管上实现稳压。1.1.4 LDO优缺点优点电路极简、无需电感、无需高频电容无开关动作、纹波极小、电源最干净 响应速度快、稳压精度高。缺点只能降压不能升压大电流下效率极低、发热严重压差全部转化成热能量浪费严重。1.1.5 充电电路LDO应用场景小电流辅助供电给MCU、传感器、TS测温电路、ADC采样电路供电基准电压源提供干净、无纹波的参考电压小电流慢充早期老旧设备小电流充电绝对不会用于快充主通路因为5V转4.2V大电流充电压差0.8V全部发热芯片将严重过热。1.2 开关电源LDO是“硬降压、耗能量、发热稳压”开关电源是高速开关储能元件搬运能量不通过电阻消耗压差所以效率高、发热低适合大电流快充。开关电源分为两类架构电感型开关电源Buck\Boost(连续可调电压)电容型开关电源电荷泵固定倍率电压变换1.2.1 BUCK降压拓扑工作原理只能降压VinVout依托上下双NMOS电感储能分两个阶段循环工作上管导通下管关闭储能Vin电压加在电感两端电感电流缓慢上升电能转化为磁场能储存后端由电容稳压供电。上管关闭、下管导通释能续流输入切断电感磁场释放能量通过下管续流持续给电池输出电流。稳压核心逻辑通过调节MOS导通占空比D连续微调输出电压Vout≈Vin*D硬件闭环自动采样Vout,动态修正占空比具有极高稳压精度。工程特点电压连续可调效率远高于LDO大电流发热可控但是存在高频开关纹波需要LC滤波。充电场景5V适配器降压充电、低压大电流快充、整机系统供电是所有手机默认基础充电拓扑。图2 BUCK电流波形1.2.2 Boost升压拓扑工作原理拓扑特性只能升压Vin Vout同样依靠电感储能逻辑和Buck相反开关导通电源给电感储能负载由电容供电开关断开电感自感电动势叠加输入电压抬升输出电压实现升压。核心特点电压连续可调输入电流远大于输出电流大电流升压电池压降严重效率低于Buck,发热比较大并且升压异常容易烧后端器件过压保护严格。应用场景电池3.0低压时升压给系统外设供电OTG功能并且不用于充电主拓扑充电永远不需要升压充电池。1.2.3 电荷泵拓扑工作原理通过MOS管高速切换电容的串联、并联状态充电阶段电容串联分压承受高压输入放电阶段电容并联输出电流叠加翻倍最终实现电压减半、电流翻倍、功率不变。核心参数与优缺点优势无电感损耗效率最高、发热最小结构简单适合超大电流快充波纹低、EMI表现优秀。缺点只能固定倍率变换不能连续调压低压电池区间无法工作必须且会Buck。1.3 电源架构表1 电源总结表电源拓扑变换方式储能器件调压能力效率充电主场景LDO线性电源纯损耗降压无只能降压、不可调倍率低大电流巨热辅助供电、采样基准Buck降压降压变换电感连续任意调压高常规充电、低压快充Boost升压升压变换电感连续任意调压中高OTG、系统升压供电电荷泵固定倍率升降压电容固定倍率、不可连续调极高最优高压大电流快充1.4 手机快充工况切换手机充电不是单一拓扑跑到底而是进行动态切换1、电池低压阶段只能Buck小电流稳充电荷泵不满足条件2、电池中压阶段进入高压快充切换电荷泵模式大电流灌入3、电池接近满电退出电荷泵切回Buck小电流涓流充电4、放电OTG场景自动切入Boost升压5、采样、基准、小电流外设全程LDO供电。二、采样与闭环控制锂电池充电的恒流 CC、恒压 CV、过压保护、复充逻辑全部建立在「采样 比较 / 闭环负反馈」这套体系之上。2.1 ADC模数转换充电 IC、PMIC 内部集成多路 ADC作用把模拟世界连续变化的电压信号转换成数字数值供给 MCU / 内核做逻辑判断。上一篇文章电阻章节谈到电流、温度本身不能直接 ADC 测量先要通过UIR全部转化成电压再送入ADC。2.1.1 电池电压采样锂电池电压一般3.0V~4.4V超过ADC引脚耐压3.3V因此硬件链路电池正极——电阻分压网络——衰减到ADC可接受的0~3.3V——ADC采样得到数字值——芯片根据分压比逆换算得到真实电池电压。工程现象调试分压电阻精度差会带来电压采样偏移导致满充提前 / 充不满电池带载和空载电压不一样带充电电流时存在线缆、MOS 导通压降ADC 读到的不是电池真实电动势BSP 调试要区分采样电压和电池真实电压软件读到的寄存器数值已经是换算之后的电压底层硬件已经做完分压。2.1.2 充电电流采样电流不能直接ADC读取硬件主流有两种方案1.采样电阻方案Sense Resistor充电通路串联一个极小阻值功率采样电阻R根据欧姆定律UI*R电流流过电阻产生微弱压差。该压差送入 ADC换算得到充电电流。不过这样的采样电阻本身会产生功率损耗发热。2.MOS导通电阻采样PMIC常用利用功率MOS的导通电阻Rds做采样通过MOS两端压差反推电流节省器件但是Rds随温度变化需要做温度补偿。BSP视角:驱动读到的充电电流不是直接测出来是硬件把压差经过ADC换算后的结果。出现电流跳变优先排查采样通路噪声、Rsense 精度、温度漂移。2.1.3 电池温度采样NTC电池包上NTC热敏电阻和板上固定电阻组成分压电路。温度变化——RTC阻值变化——分压点电压变化——ADC读取电压查表得到温度。NTC是非线性器件不能简单线性换算芯片内部使用查表法LUT完成电压‑温度映射。NTC 分压异常会触发高温暂停充电、低温禁止充电软件看到温度异常不一定电池真过热有可能分压回路虚焊。2.2 电压比较器、滞回阈值ADC是“读出数值给内核做软件判断”而电压比较器是硬件高速模拟器件不需要 CPU 参与硬件直接输出高低电平用于快速保护。过压OV、过流 OC、过温 OT 这类高危保护几乎都走硬件比较器通路不靠软件轮询 ADC软件轮询速度太慢来不及保护。2.2.1 滞回Hysteresis滞回是解决震荡的关键如果没有滞回采样电压刚好卡在阈值附近一点点噪声波动比较器输出会不停高低来回跳变系统频繁启停产生震荡。滞回就是设置两个阈值上门限、下门限用两个阈值之间的电压差滞回窗口来消除噪声干扰。具体工作过程如下上门限VH当输入电压从低到高上升越过上门限时比较器输出才翻转进入保护或切换状态下门限VL当输入电压从高到低回落必须跌到下门限以下比较器才反向翻转退出保护或切换状态滞回窗口VH - VL上门限与下门限之间的差值。只要输入电压在这个窗口内波动比较器输出保持原状态不变不会来回翻转。这样一来即使采样电压在阈值附近叠加了噪声只要噪声幅度小于滞回窗口比较器输出就稳定不抖动系统不会频繁启停。滞回窗口越大抗噪能力越强但代价是保护动作的触发点会变得不那么精确实际工程中需要根据噪声水平和保护精度要求折中选取。在手机充电系统中滞回机制应用非常广泛过压保护OVP输入电压超过上门限触发保护回落到下门限以下才恢复避免在临界电压附近反复进入和退出保护过流保护OCP充电电流超过上门限切断通路电流回落到下门限以下才重新导通防止大电流抖动导致反复重启过温保护OTP电池温度超过上门限暂停充电降到下门限以下才恢复充电避免温度在阈值附近震荡导致充电反复启停复充逻辑电池电压充到满电阈值后停止充电当电压回落到复充阈值低于满充阈值一定幅度时才重新开始充电这个电压差本质上也是一种滞回设计。总结滞回是硬件比较器抗噪声、防震荡的核心手段通过设置上门限和下门限两个阈值把「触发」和「恢复」分开让系统在噪声环境下也能稳定可靠地工作。2.3 负反馈闭环负反馈就是CC恒流/CV恒压调节的核心开关电源 Buck、LDO、充电 IC 的 CC/CV本质都是负反馈闭环控制系统。充电系统中的闭环有这四个要素设定值目标目标恒压 4.4V / 目标恒流 2A采样环节ADC / 采样电阻 / NTC采集真实输出电压电流误差计算真实值 和目标值相减得到误差 Error执行单元调整 Buck 占空比 / 调整 LDO 功率管导通程度去抵消误差。图3 负反馈闭环2.3.1 CV恒压模式闭环目标电池电压4.4V采样电池电压如果采样得到电压 4.4V → 误差为正 → 增大充电能力 采样电压 4.4V → 误差为负 → 降低充电能力抑制电压升高。 最终动态维持电池电压稳定在 4.4V 附近。2.3.2 CC恒流模式闭环充电初期电池电压低进入恒流 CC。目标充电电流 2A。 采样电阻采集真实充电电流 真实电流小于 2A加大功率输出提升充电电流 真实电流大于 2A降低功率输出压低电流。 闭环把充电电流钳位在设定恒流值。锂电池完整充电流程CC 恒流充电抬升电池电压 → 电压到达 CV 阈值切换 CV 恒压电流逐步下降电流小于终止电流判定充满。整个切换就是两套负反馈闭环互相竞争的结果。2.4 PID基础很多PMIC、充电控制器内部使用硬件PID完成闭环调节BSP驱动会看到寄存器配置环路参数。P 比例误差越大调节力度越大单纯 P 控制会存在静态误差I 积分累计历史误差消除静态偏差让输出最终精准到达目标积分太大容易震荡D 微分看误差变化快慢抑制震荡做阻尼。对于我们BSP软开不需要自己写PID算法但是要理解现象如果 PID 参数不合适充电电流、电压来回抖动震荡环路响应太慢电压冲过目标值过冲环路响应太快系统高频震荡纹波变大发热异常。图4 PID调节图高通平台很多充电驱动里面有环路调参、补偿配置寄存器本质就是配置 PID 相关环路参数。硬件工程师调硬件环路软件也可以配合寄存器做适配。2.5 总结表2 闭环总结模块速度执行者典型用途ADC 采样较慢充电 IC 内核 / 软件读取读取电压电流温度精细化充电控制电压比较器带滞回极快纯硬件模拟电路过压、过流、过温硬件保护充电启停复充负反馈闭环 PID连续动态调节硬件环路CC 恒流、CV 恒压实时调节功率输出ADC 完成物理量到数字的转换电流温度都要先转为电压再采样电压比较器 滞回用于硬件快速保护、充电启停避免阈值附近抖动震荡恒流 CC、恒压 CV 全部依靠负反馈闭环控制设定目标、采样输出、计算误差、调整执行单元PID 是闭环调节器参数直接决定充电稳定性、是否震荡过冲BSP 调试思路遇到充电不稳先区分是采样链路问题还是闭环环路参数问题再区分硬件比较器保护还是软件逻辑判断。三、锂电池的特征与保护机制本章基于上述闭环体系讲解手机锂电池电压区间划分、标准四段式充电流程、整机六大充电保护、JEITA温度充电规范。所有BSP充电策略、充电状态机、保护阈值、快充启停、高低温限流逻辑全部依托本章规则实现。3.1 锂电池电压区间划分手机锂离子电池常规4.4V/4.35V体系拥有严格的电压分区不同区间对应不同充电策略、保护逻辑与系统功耗管控BSP软件会根据采样电压判定电池状态执行对应逻辑。以下为行业通用工程阈值以主流4.4V满电电池为例。3.1.1 欠压区间电池亏点保护区电压范围3.0V该区间电池电压过低内部化学活性不稳定常规恒流充电会造成析锂、电芯损伤甚至引发安全隐患。因此仅开启涓流预充小电流修复禁止大电流快充、禁止恒流快充若电压低于2.5V临界欠压触发硬件强制断电保护彻底关闭充电路径防止电池永久性报废。3.1.2 正常工作区间标准充电/放电区电压范围3.0V~4.35V锂电池最佳工作区间电芯电压稳定、化学状态正常。支持完整CC恒流、CV恒压充电支持系统正常放电、快充适配无电压相关限流、禁充限制是手机日常使用、充电的核心区间。3.1.3 过压临界区间充满收尾区电压范围4.35~4.40V电池接近满电电压逼近额定上限电芯容量即将饱和。关闭恒流大电流切入CV恒压稳压模式电流逐步衰减避免电压过冲导致电池过压鼓包。3.1.4 过压故障区间硬件保护区电压范围4.40V超出电池额定耐压值属于故障状态持续过压会直接导致电池鼓包、漏液、起火。硬件比较器触发硬件极速过压保护直接关断充电MOS切断充电通路软件同步上报异常事件锁定充电状态电压回落至安全阈值禁止恢复充电。3.2 锂电池完整充电流程锂电池充电并非单一模式而是依托ADC采样负反馈闭环滞回阈值动态切换的五阶段状态机流程涓流预充 → 恒流CC快充 → 恒压CV稳压 → 充满截止 → 休眠复充。BSP充电驱动的核心工作就是维护这套状态机的正常切换与异常容错。图5 锂电池充电的5个状态3.2.1 第一阶段涓流预充低压修复触发条件电池电压3.0V充电驱动的核心工作就是维护这套状态机的正常切换与异常容错。IC输出极小固定电流100~300mA缓慢修复电池电压不开启快充、不升压、不恒流。退出条件电池电压回升至3.0V以上自动切换至恒流CC模式。3.2.2 第二阶段恒流CC快充主力充电触发条件电池电压3.0V~4.35V充电核心快充阶段依托电流负反馈闭环工作。软件配置目标充电电流如2A/3A/6A充电IC通过采样电阻实时采集电池电流动态调节Buck/电荷泵拓扑功率输出将充电电流稳定在设定值持续大电流为电池储能电压快速抬升。退出条件电池电压上升至CV恒压阈值4.35V电流闭环让位电压闭环切换CV模式。3.2.3 第三阶段恒压CV稳压满电收尾触发条件电池电压≥4.35V依托电压负反馈闭环工作禁止电压继续抬升防止过压损坏电池。固定输出电压为4.4V电池逐渐饱和充电电流会自然持续衰减既保证电池充满容量又杜绝过压风险。退出条件充电电流衰减至预设终止电流典型100~200mA判定电池充满。3.2.4 第四阶段充满截至休眠待机检测到电流小于终止阈值后BSP状态机判定充电完成控制PMOS关断充电路径停止功率输出整机进入充电休眠状态避免浮充损伤电池。3.2.5 第五阶段休眠复充滞回逻辑应用电池静置过程中自放电与系统微耗电会导致电压缓慢跌落。为避免电压小幅波动导致充电频繁启停系统启用滞回阈值机制。充满截止后电压需跌落至复充阈值典型4.25V才会重新触发充电流程电压在4.25V~4.4V区间波动时不启动充电杜绝状态机震荡。3.3 充电六大核心保护机制手机充电安全依托六大硬件软件协同保护高危保护过压、短路、过流由硬件比较器极速响应毫秒级切断通路温区、欠压保护由软件硬件配合判定兼顾安全性与充电体验。3.3.1 过压保护OVP原理通过电阻分压采样电池电压硬件比较器实时比对阈值一旦电池电压超过4.4V保护阈值立即关断充电MOS切断功率通路。工程场景适配器电压异常、环路过冲、快充协议电压协商异常均会触发OVP触发后需电压回落至安全区间才可恢复充电。图6 过压保护3.3.2 欠压保护UVP原理电池电压低于3.0V进入欠压区间低于2.5V触发临界欠压保护禁止大电流充放电仅保留涓流预充防止电池深度亏电导致电芯不可逆损坏。工程场景长时间闲置、低温耗电过快、漏电异常均会触发欠压保护。3.3.3 过流保护OCP原理采样电阻实时采集充电/放电电流电流超出设定阈值时闭环环路降低功率输出严重过流直接关断MOS。工程场景电池内阻异常、线路短路、负载短路、快充电流配置过大都会触发过流保护是最常见的充电异常保护。3.3.4 过热保护OTP原理NTC热敏电阻分压采样温度温度高于高温阈值典型55℃立即限流或停止充电防止高温导致电池鼓包、起火。工程场景大电流快充、散热不良、环境高温、NTC电路虚焊误采样均会触发过热保护。3.3.5 低温保护LTP原理低温环境下锂电池内部电解液活性降低大电流充电会引发析锂现象永久损伤电池容量。温度低于低温阈值0℃禁止充电或仅允许极小电流充电。3.3.6 短路保护SCP原理属于最高优先级硬件保护检测到充放电路径电流瞬间激增、电压骤降判定为短路硬件直接锁死MOS开关彻底切断电源通路。工程场景尾插短路、电池排线短路、主板功率回路短路触发后需断电复位才可恢复。3.4JEITA 温度分段充电规范快充标准JEITA是日本电子信息技术产业协会制定的锂电池温度充电标准是所有手机厂商、PMIC芯片通用的充电温控规则核心作用是根据环境温度动态限流、禁快充、停充最大化保护电池寿命BSP快充策略必须严格遵循该规范。图7 JEITA分段策略行业通用四段温度区分策略3.4.1 超低温区T0℃禁止充电电芯活性极差大电流充电必然析锂永久性损坏电池。系统直接关闭所有充电通路不响应快充、普充请求。3.4.2 低温区0℃~10℃限流慢充禁止快充电池活性偏低禁止高压大电流快充仅保留小电流普通充电大幅降低充电功率规避电芯损伤风险。3.4.3 常温区10℃~45℃全速正常充电电池最佳工作温区无任何限流、禁充限制支持满速快充、恒流恒压完整流程是快充的核心工作区间。3.4.4 高温区45℃~55℃降功率限流高温加速电池老化系统自动降低充电电流、关闭快充仅保留小电流补电降低MOS与电池发热。3.4.5 超高温区T55℃停止充电触发过热保护立即切断充电路径直到温度回落至安全区间才恢复充电。3.5 小结1、锂电池电压分为欠压、正常、临界满电、过压四大区间每个区间对应专属充电策略与保护逻辑2、标准充电流程为涓流预充-CC恒流-CV恒压-充满截止-休眠复充依托负反馈闭环与滞回阈值实现状态自动切换3、六大充电保护软硬结合高危故障硬件极速保护常规异常软件逻辑管控是充电安全的核心保障4、JEITA温区规范是快充策略的核心依据高低温限流、禁快充逻辑均由该标准定义是BSP快充调试的重点场景。
【深度解析】BSP充电开发 | 模电基础（二）
一、开关电源手机充电的能量变换基石前面章节我们掌握了无源器件阻容感储能滤波、二极管单向隔离保护、MOS管可控功率开关。而手机、锂电池充电系统的所有电压变换、充电稳压、快充升压/降压全部依托两类电源架构实现LDO 线性电源纯损耗降压老旧、辅助、小电流场景开关电源储能变换高效率快充主力开关电源包含三大核心拓扑Buck降压、Boost升压、电荷泵电容分压。1.1 LDO线性稳压电源1.1.1 LDO 核心定义与结构LDOLow Dropout Regulator低压差线性稳压器核心结构是功率调整管 误差放大器 反馈电阻网络。本质工作逻辑就是纯电阻分压式降压他是进行能量消耗而不是转化。图1 LDO输入输出电压差异1.1.2 LDO完整工作原理LDO输入端电压Vin,输出端Vout。通过反馈电阻采样输出电压送入误差放大器动态调节内部功率MOS的导通内阻输出电压偏高 → 电压增大内阻 → 分压压降变大 → 拉低输出输出电压偏低 → 减小内阻 → 分压压降变小 → 抬高输出最终实现输出电压恒定不变。整个过程没有储能元件没有高频开关完全依靠线性电阻分压稳压。1.1.3 LDO两大核心参数压差电压指LDO正常稳压需要的最小输入输出压差压差越小电源利用率越高这也是LDO“低压差”的由来(压差就是Vin必须比Vout高多少才能稳压)。损耗功率效率Ploss(Vin-Vout)*Iout所有压差电压全部变成热量耗散在芯片内部。Vin和Vout差距越大、电流越大、发热越高、效率越低。ps:反馈电阻网络:由两个精密电阻组成对输出电压 Vout 分压采样得到反馈电压 Vfb用来实时监视输出电压大小,传递给误差放大器。误差放大器将采样得到的 Vfb 和芯片内部高精度带隙基准 Vref 做比较放大。输出控制信号反映当前输出电压偏高还是偏低。功率调整管一般为 MOS 管串联在输入 Vin 误差放大器传递与输出 Vout 主功率通路全部负载电流流过该管误差放大器输出接到 MOS 栅极改变栅源电压 Vgs。MOS身不是物理电阻但是沟道导电能力变化对外电路呈现受电压控制的可变电阻效果。LDO 正是利用这个特性改变功率 MOS 的等效内阻让多余电压消耗在功率管上实现稳压。1.1.4 LDO优缺点优点电路极简、无需电感、无需高频电容无开关动作、纹波极小、电源最干净 响应速度快、稳压精度高。缺点只能降压不能升压大电流下效率极低、发热严重压差全部转化成热能量浪费严重。1.1.5 充电电路LDO应用场景小电流辅助供电给MCU、传感器、TS测温电路、ADC采样电路供电基准电压源提供干净、无纹波的参考电压小电流慢充早期老旧设备小电流充电绝对不会用于快充主通路因为5V转4.2V大电流充电压差0.8V全部发热芯片将严重过热。1.2 开关电源LDO是“硬降压、耗能量、发热稳压”开关电源是高速开关储能元件搬运能量不通过电阻消耗压差所以效率高、发热低适合大电流快充。开关电源分为两类架构电感型开关电源Buck\Boost(连续可调电压)电容型开关电源电荷泵固定倍率电压变换1.2.1 BUCK降压拓扑工作原理只能降压VinVout依托上下双NMOS电感储能分两个阶段循环工作上管导通下管关闭储能Vin电压加在电感两端电感电流缓慢上升电能转化为磁场能储存后端由电容稳压供电。上管关闭、下管导通释能续流输入切断电感磁场释放能量通过下管续流持续给电池输出电流。稳压核心逻辑通过调节MOS导通占空比D连续微调输出电压Vout≈Vin*D硬件闭环自动采样Vout,动态修正占空比具有极高稳压精度。工程特点电压连续可调效率远高于LDO大电流发热可控但是存在高频开关纹波需要LC滤波。充电场景5V适配器降压充电、低压大电流快充、整机系统供电是所有手机默认基础充电拓扑。图2 BUCK电流波形1.2.2 Boost升压拓扑工作原理拓扑特性只能升压Vin Vout同样依靠电感储能逻辑和Buck相反开关导通电源给电感储能负载由电容供电开关断开电感自感电动势叠加输入电压抬升输出电压实现升压。核心特点电压连续可调输入电流远大于输出电流大电流升压电池压降严重效率低于Buck,发热比较大并且升压异常容易烧后端器件过压保护严格。应用场景电池3.0低压时升压给系统外设供电OTG功能并且不用于充电主拓扑充电永远不需要升压充电池。1.2.3 电荷泵拓扑工作原理通过MOS管高速切换电容的串联、并联状态充电阶段电容串联分压承受高压输入放电阶段电容并联输出电流叠加翻倍最终实现电压减半、电流翻倍、功率不变。核心参数与优缺点优势无电感损耗效率最高、发热最小结构简单适合超大电流快充波纹低、EMI表现优秀。缺点只能固定倍率变换不能连续调压低压电池区间无法工作必须且会Buck。1.3 电源架构表1 电源总结表电源拓扑变换方式储能器件调压能力效率充电主场景LDO线性电源纯损耗降压无只能降压、不可调倍率低大电流巨热辅助供电、采样基准Buck降压降压变换电感连续任意调压高常规充电、低压快充Boost升压升压变换电感连续任意调压中高OTG、系统升压供电电荷泵固定倍率升降压电容固定倍率、不可连续调极高最优高压大电流快充1.4 手机快充工况切换手机充电不是单一拓扑跑到底而是进行动态切换1、电池低压阶段只能Buck小电流稳充电荷泵不满足条件2、电池中压阶段进入高压快充切换电荷泵模式大电流灌入3、电池接近满电退出电荷泵切回Buck小电流涓流充电4、放电OTG场景自动切入Boost升压5、采样、基准、小电流外设全程LDO供电。二、采样与闭环控制锂电池充电的恒流 CC、恒压 CV、过压保护、复充逻辑全部建立在「采样 比较 / 闭环负反馈」这套体系之上。2.1 ADC模数转换充电 IC、PMIC 内部集成多路 ADC作用把模拟世界连续变化的电压信号转换成数字数值供给 MCU / 内核做逻辑判断。上一篇文章电阻章节谈到电流、温度本身不能直接 ADC 测量先要通过UIR全部转化成电压再送入ADC。2.1.1 电池电压采样锂电池电压一般3.0V~4.4V超过ADC引脚耐压3.3V因此硬件链路电池正极——电阻分压网络——衰减到ADC可接受的0~3.3V——ADC采样得到数字值——芯片根据分压比逆换算得到真实电池电压。工程现象调试分压电阻精度差会带来电压采样偏移导致满充提前 / 充不满电池带载和空载电压不一样带充电电流时存在线缆、MOS 导通压降ADC 读到的不是电池真实电动势BSP 调试要区分采样电压和电池真实电压软件读到的寄存器数值已经是换算之后的电压底层硬件已经做完分压。2.1.2 充电电流采样电流不能直接ADC读取硬件主流有两种方案1.采样电阻方案Sense Resistor充电通路串联一个极小阻值功率采样电阻R根据欧姆定律UI*R电流流过电阻产生微弱压差。该压差送入 ADC换算得到充电电流。不过这样的采样电阻本身会产生功率损耗发热。2.MOS导通电阻采样PMIC常用利用功率MOS的导通电阻Rds做采样通过MOS两端压差反推电流节省器件但是Rds随温度变化需要做温度补偿。BSP视角:驱动读到的充电电流不是直接测出来是硬件把压差经过ADC换算后的结果。出现电流跳变优先排查采样通路噪声、Rsense 精度、温度漂移。2.1.3 电池温度采样NTC电池包上NTC热敏电阻和板上固定电阻组成分压电路。温度变化——RTC阻值变化——分压点电压变化——ADC读取电压查表得到温度。NTC是非线性器件不能简单线性换算芯片内部使用查表法LUT完成电压‑温度映射。NTC 分压异常会触发高温暂停充电、低温禁止充电软件看到温度异常不一定电池真过热有可能分压回路虚焊。2.2 电压比较器、滞回阈值ADC是“读出数值给内核做软件判断”而电压比较器是硬件高速模拟器件不需要 CPU 参与硬件直接输出高低电平用于快速保护。过压OV、过流 OC、过温 OT 这类高危保护几乎都走硬件比较器通路不靠软件轮询 ADC软件轮询速度太慢来不及保护。2.2.1 滞回Hysteresis滞回是解决震荡的关键如果没有滞回采样电压刚好卡在阈值附近一点点噪声波动比较器输出会不停高低来回跳变系统频繁启停产生震荡。滞回就是设置两个阈值上门限、下门限用两个阈值之间的电压差滞回窗口来消除噪声干扰。具体工作过程如下上门限VH当输入电压从低到高上升越过上门限时比较器输出才翻转进入保护或切换状态下门限VL当输入电压从高到低回落必须跌到下门限以下比较器才反向翻转退出保护或切换状态滞回窗口VH - VL上门限与下门限之间的差值。只要输入电压在这个窗口内波动比较器输出保持原状态不变不会来回翻转。这样一来即使采样电压在阈值附近叠加了噪声只要噪声幅度小于滞回窗口比较器输出就稳定不抖动系统不会频繁启停。滞回窗口越大抗噪能力越强但代价是保护动作的触发点会变得不那么精确实际工程中需要根据噪声水平和保护精度要求折中选取。在手机充电系统中滞回机制应用非常广泛过压保护OVP输入电压超过上门限触发保护回落到下门限以下才恢复避免在临界电压附近反复进入和退出保护过流保护OCP充电电流超过上门限切断通路电流回落到下门限以下才重新导通防止大电流抖动导致反复重启过温保护OTP电池温度超过上门限暂停充电降到下门限以下才恢复充电避免温度在阈值附近震荡导致充电反复启停复充逻辑电池电压充到满电阈值后停止充电当电压回落到复充阈值低于满充阈值一定幅度时才重新开始充电这个电压差本质上也是一种滞回设计。总结滞回是硬件比较器抗噪声、防震荡的核心手段通过设置上门限和下门限两个阈值把「触发」和「恢复」分开让系统在噪声环境下也能稳定可靠地工作。2.3 负反馈闭环负反馈就是CC恒流/CV恒压调节的核心开关电源 Buck、LDO、充电 IC 的 CC/CV本质都是负反馈闭环控制系统。充电系统中的闭环有这四个要素设定值目标目标恒压 4.4V / 目标恒流 2A采样环节ADC / 采样电阻 / NTC采集真实输出电压电流误差计算真实值 和目标值相减得到误差 Error执行单元调整 Buck 占空比 / 调整 LDO 功率管导通程度去抵消误差。图3 负反馈闭环2.3.1 CV恒压模式闭环目标电池电压4.4V采样电池电压如果采样得到电压 4.4V → 误差为正 → 增大充电能力 采样电压 4.4V → 误差为负 → 降低充电能力抑制电压升高。 最终动态维持电池电压稳定在 4.4V 附近。2.3.2 CC恒流模式闭环充电初期电池电压低进入恒流 CC。目标充电电流 2A。 采样电阻采集真实充电电流 真实电流小于 2A加大功率输出提升充电电流 真实电流大于 2A降低功率输出压低电流。 闭环把充电电流钳位在设定恒流值。锂电池完整充电流程CC 恒流充电抬升电池电压 → 电压到达 CV 阈值切换 CV 恒压电流逐步下降电流小于终止电流判定充满。整个切换就是两套负反馈闭环互相竞争的结果。2.4 PID基础很多PMIC、充电控制器内部使用硬件PID完成闭环调节BSP驱动会看到寄存器配置环路参数。P 比例误差越大调节力度越大单纯 P 控制会存在静态误差I 积分累计历史误差消除静态偏差让输出最终精准到达目标积分太大容易震荡D 微分看误差变化快慢抑制震荡做阻尼。对于我们BSP软开不需要自己写PID算法但是要理解现象如果 PID 参数不合适充电电流、电压来回抖动震荡环路响应太慢电压冲过目标值过冲环路响应太快系统高频震荡纹波变大发热异常。图4 PID调节图高通平台很多充电驱动里面有环路调参、补偿配置寄存器本质就是配置 PID 相关环路参数。硬件工程师调硬件环路软件也可以配合寄存器做适配。2.5 总结表2 闭环总结模块速度执行者典型用途ADC 采样较慢充电 IC 内核 / 软件读取读取电压电流温度精细化充电控制电压比较器带滞回极快纯硬件模拟电路过压、过流、过温硬件保护充电启停复充负反馈闭环 PID连续动态调节硬件环路CC 恒流、CV 恒压实时调节功率输出ADC 完成物理量到数字的转换电流温度都要先转为电压再采样电压比较器 滞回用于硬件快速保护、充电启停避免阈值附近抖动震荡恒流 CC、恒压 CV 全部依靠负反馈闭环控制设定目标、采样输出、计算误差、调整执行单元PID 是闭环调节器参数直接决定充电稳定性、是否震荡过冲BSP 调试思路遇到充电不稳先区分是采样链路问题还是闭环环路参数问题再区分硬件比较器保护还是软件逻辑判断。三、锂电池的特征与保护机制本章基于上述闭环体系讲解手机锂电池电压区间划分、标准四段式充电流程、整机六大充电保护、JEITA温度充电规范。所有BSP充电策略、充电状态机、保护阈值、快充启停、高低温限流逻辑全部依托本章规则实现。3.1 锂电池电压区间划分手机锂离子电池常规4.4V/4.35V体系拥有严格的电压分区不同区间对应不同充电策略、保护逻辑与系统功耗管控BSP软件会根据采样电压判定电池状态执行对应逻辑。以下为行业通用工程阈值以主流4.4V满电电池为例。3.1.1 欠压区间电池亏点保护区电压范围3.0V该区间电池电压过低内部化学活性不稳定常规恒流充电会造成析锂、电芯损伤甚至引发安全隐患。因此仅开启涓流预充小电流修复禁止大电流快充、禁止恒流快充若电压低于2.5V临界欠压触发硬件强制断电保护彻底关闭充电路径防止电池永久性报废。3.1.2 正常工作区间标准充电/放电区电压范围3.0V~4.35V锂电池最佳工作区间电芯电压稳定、化学状态正常。支持完整CC恒流、CV恒压充电支持系统正常放电、快充适配无电压相关限流、禁充限制是手机日常使用、充电的核心区间。3.1.3 过压临界区间充满收尾区电压范围4.35~4.40V电池接近满电电压逼近额定上限电芯容量即将饱和。关闭恒流大电流切入CV恒压稳压模式电流逐步衰减避免电压过冲导致电池过压鼓包。3.1.4 过压故障区间硬件保护区电压范围4.40V超出电池额定耐压值属于故障状态持续过压会直接导致电池鼓包、漏液、起火。硬件比较器触发硬件极速过压保护直接关断充电MOS切断充电通路软件同步上报异常事件锁定充电状态电压回落至安全阈值禁止恢复充电。3.2 锂电池完整充电流程锂电池充电并非单一模式而是依托ADC采样负反馈闭环滞回阈值动态切换的五阶段状态机流程涓流预充 → 恒流CC快充 → 恒压CV稳压 → 充满截止 → 休眠复充。BSP充电驱动的核心工作就是维护这套状态机的正常切换与异常容错。图5 锂电池充电的5个状态3.2.1 第一阶段涓流预充低压修复触发条件电池电压3.0V充电驱动的核心工作就是维护这套状态机的正常切换与异常容错。IC输出极小固定电流100~300mA缓慢修复电池电压不开启快充、不升压、不恒流。退出条件电池电压回升至3.0V以上自动切换至恒流CC模式。3.2.2 第二阶段恒流CC快充主力充电触发条件电池电压3.0V~4.35V充电核心快充阶段依托电流负反馈闭环工作。软件配置目标充电电流如2A/3A/6A充电IC通过采样电阻实时采集电池电流动态调节Buck/电荷泵拓扑功率输出将充电电流稳定在设定值持续大电流为电池储能电压快速抬升。退出条件电池电压上升至CV恒压阈值4.35V电流闭环让位电压闭环切换CV模式。3.2.3 第三阶段恒压CV稳压满电收尾触发条件电池电压≥4.35V依托电压负反馈闭环工作禁止电压继续抬升防止过压损坏电池。固定输出电压为4.4V电池逐渐饱和充电电流会自然持续衰减既保证电池充满容量又杜绝过压风险。退出条件充电电流衰减至预设终止电流典型100~200mA判定电池充满。3.2.4 第四阶段充满截至休眠待机检测到电流小于终止阈值后BSP状态机判定充电完成控制PMOS关断充电路径停止功率输出整机进入充电休眠状态避免浮充损伤电池。3.2.5 第五阶段休眠复充滞回逻辑应用电池静置过程中自放电与系统微耗电会导致电压缓慢跌落。为避免电压小幅波动导致充电频繁启停系统启用滞回阈值机制。充满截止后电压需跌落至复充阈值典型4.25V才会重新触发充电流程电压在4.25V~4.4V区间波动时不启动充电杜绝状态机震荡。3.3 充电六大核心保护机制手机充电安全依托六大硬件软件协同保护高危保护过压、短路、过流由硬件比较器极速响应毫秒级切断通路温区、欠压保护由软件硬件配合判定兼顾安全性与充电体验。3.3.1 过压保护OVP原理通过电阻分压采样电池电压硬件比较器实时比对阈值一旦电池电压超过4.4V保护阈值立即关断充电MOS切断功率通路。工程场景适配器电压异常、环路过冲、快充协议电压协商异常均会触发OVP触发后需电压回落至安全区间才可恢复充电。图6 过压保护3.3.2 欠压保护UVP原理电池电压低于3.0V进入欠压区间低于2.5V触发临界欠压保护禁止大电流充放电仅保留涓流预充防止电池深度亏电导致电芯不可逆损坏。工程场景长时间闲置、低温耗电过快、漏电异常均会触发欠压保护。3.3.3 过流保护OCP原理采样电阻实时采集充电/放电电流电流超出设定阈值时闭环环路降低功率输出严重过流直接关断MOS。工程场景电池内阻异常、线路短路、负载短路、快充电流配置过大都会触发过流保护是最常见的充电异常保护。3.3.4 过热保护OTP原理NTC热敏电阻分压采样温度温度高于高温阈值典型55℃立即限流或停止充电防止高温导致电池鼓包、起火。工程场景大电流快充、散热不良、环境高温、NTC电路虚焊误采样均会触发过热保护。3.3.5 低温保护LTP原理低温环境下锂电池内部电解液活性降低大电流充电会引发析锂现象永久损伤电池容量。温度低于低温阈值0℃禁止充电或仅允许极小电流充电。3.3.6 短路保护SCP原理属于最高优先级硬件保护检测到充放电路径电流瞬间激增、电压骤降判定为短路硬件直接锁死MOS开关彻底切断电源通路。工程场景尾插短路、电池排线短路、主板功率回路短路触发后需断电复位才可恢复。3.4JEITA 温度分段充电规范快充标准JEITA是日本电子信息技术产业协会制定的锂电池温度充电标准是所有手机厂商、PMIC芯片通用的充电温控规则核心作用是根据环境温度动态限流、禁快充、停充最大化保护电池寿命BSP快充策略必须严格遵循该规范。图7 JEITA分段策略行业通用四段温度区分策略3.4.1 超低温区T0℃禁止充电电芯活性极差大电流充电必然析锂永久性损坏电池。系统直接关闭所有充电通路不响应快充、普充请求。3.4.2 低温区0℃~10℃限流慢充禁止快充电池活性偏低禁止高压大电流快充仅保留小电流普通充电大幅降低充电功率规避电芯损伤风险。3.4.3 常温区10℃~45℃全速正常充电电池最佳工作温区无任何限流、禁充限制支持满速快充、恒流恒压完整流程是快充的核心工作区间。3.4.4 高温区45℃~55℃降功率限流高温加速电池老化系统自动降低充电电流、关闭快充仅保留小电流补电降低MOS与电池发热。3.4.5 超高温区T55℃停止充电触发过热保护立即切断充电路径直到温度回落至安全区间才恢复充电。3.5 小结1、锂电池电压分为欠压、正常、临界满电、过压四大区间每个区间对应专属充电策略与保护逻辑2、标准充电流程为涓流预充-CC恒流-CV恒压-充满截止-休眠复充依托负反馈闭环与滞回阈值实现状态自动切换3、六大充电保护软硬结合高危故障硬件极速保护常规异常软件逻辑管控是充电安全的核心保障4、JEITA温区规范是快充策略的核心依据高低温限流、禁快充逻辑均由该标准定义是BSP快充调试的重点场景。