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发布日期：2016-12-16 浏览量：2486
2016年，手机市场最热闹的莫过于与电池相关的新闻了。不论是“充电5分钟通话2小时”带来了的OPPO热，还是三星Galaxy note7电池爆炸，直至年尾时分传出的苹果iPhone6s无故关机，这些都与电池相关，说得具体一点，都与电池的管理芯片方案相关。别看一个小小的电池及充电，围绕着他的芯片管理，可是大有学问，特别是大家将充电功率提高到15w以上的时候，明年旗舰机都往28w去了，还会带来各种安全隐患。
下面昌旭邀请到国内电池管理芯片的领导厂商——赛微微电子CEO蒋燕波，来与大家讲讲这方面的故事，分析一下2016年闹得人心慌的几件大事，并预测2017年，手机电池管理的几大重要技术突破。
讲故事前先看懂一张围绕手机电池管理的简单的结构图，因为后面所有的故事（事故）都与它有关。
这里，最核心的是充电管理IC，它管理所有的充电行为，即锂电池所需的涓流/恒流/恒压控制。因为它是基于DC/DC的架构进行电压电流的变换，当充电功率越大时，上面的损耗就会越大。另一个是电量计IC，它是一个专用的ASIC器件，用来实时跟踪电池的电量和内阻，并对电池的电量进行校准，趋势是越来越多的方案都会将电量计移到电池包的电路板上，电池包的定制也越来越高科技；第三个是置于电池包内的电池保护IC，用来作为过放过充过压过流短路等情况下的保护，电池保护IC在发生各种电池异常情况时会控制电池保护板上的MOS来关断充放电回路以保障电池使用安全。还有一个是电池模拟前端与鉴权IC，位于电池包内对电池实时监控，并且采用加密算法对真假电池进行认证。不管是电池包侧的电量计IC还是电池模拟前端及鉴权IC，都能够在电池包内部对电池包进行“贴身监视”，实时监测电池的各种物理参数变化，并通过与主机通讯对充放点行为进行管理，如果这个机制出现了问题，在快充的情况下，，就会出大问题，后面会分析今年最典型的案例。
要做好以上这些电池管理IC，不仅要懂得电子技术，还要熟悉电池电化学技术，它是这两种技术的结合，所以，这里的玩家并不多，特别是电量计，基本上就三家：TI、美信、中国的赛微微电子。其中TI也是苹果的供应商（这个从目前的iphone6s突然关机事件中大家已经知道），同时也是80%以上主流安桌手机的供应商，除了三星。三星的供应商是美信（我们后面会分析三星note7事故的原因）。而中国新星赛微微则是红米、华硕、乐视、ZTE等品牌部分手机的电量计供应商。并且，三家管脚完全不兼容，这里，TI在电池电量计技术方面申请了诸多专利。
还要补充一下，这个很重要，就是我们还要把快充定义一下，如何称为“快充”？其实，它是相对于慢的一个抽象的概念。比如5V 2A（10W，也有的采用9V 1.2A）放在两年前算是快充，但是放在今年，就成为标配了，所以我们就不称为真的快充了。明年，type C原生支持的5V 3A也将成为标配，而且各厂商的高端旗舰机都可能会比typeC还要快，也就是会高于15W。所以，我们这里谈到的是手机厂商采用高于行业标准typeC充电功率时，带来的各种安全隐患及他们采取的解决办法。同时，我们也还会讲讲针对这纷繁复杂的各种“快充”手机，移动电源（也就是充电宝）端如何提供快充技术的识别与支持。
好了，有了这些基本的概念，我们开始讲快充的故事及它在2016年惹的那些“事故”，以及2017年如何防范这些快充惹的各种祸。对了，我们还要分析一下，苹果有可能用激进的快充吗？为什么？
快充的两种“降热”方案的较量
“直通快充”与“双充电管理IC”
我们把充电管理分为两个阶段：第一个阶段是从适配器到手机USB口、第二个阶段是从手机的USB入口到电池的充电管理及电池保护控制等等。
传统上适配器输出一个5V的电源给手机，手机内的充电管理IC将之转成电池端电压需要的电源，5V要降压后产生恒流/恒压电源给电池供电，这个转换有效率的问题。为什么说快充做到15W以上面临很大的技术门槛？因为这个DC/DC的效率目前最高的就是TI，也就是91%的效率，大电流可能就是90%，这个映射出来就是15W充电时DC/DC上耗散的功率达1.5W，手机就会发烫。
为解决快充手机端发热的问题，三年前，OPPO采用了新的思路，将DC/DC降压的工作放到了适配器端，让充电管理的功能由适配器来完成，适配器直接产生恒流源对电芯充电，绕过了手机里的充电管理IC，这样手机端就不会发热了，而适配器端由于空间大，散热快，发热也不会严重。在VOOC快充方案中，手机端有一个物理开关，来什么电流，直接传给电池，所以手机端不会因为DC/DC耗热而发热。VOOC方案的手机端仅有一个常规的TI电池管理IC，支持2A充电。快充的时候直通，临近充满时，通过一个开关转换到这个TI的芯片上，以2A的电流再继续给电池充电。
这就是目前业界称为“直通的快速充电”，OPPO为这种技术申请了上百个专利。这种方案消费者感觉不到手机的过度发热，所以受到欢迎，后来，MTK的PE3.0快充标准，也支持类似的直充技术。华为最新的Mate9也有可能用了类似的技术，但是在细节上有不同，后面再聊。这种方案后面会被越来越多的公司采用，很多公司都在直充方案上排兵布阵，不知道OPPO如何在这里守住城池。
所以，还有另外一个技术流派“降温”。为了给15W以上充电的手机端降热，另一个技术流派是目前TI在主推的并行充电技术：15W以上的快充采用两个DC/DC充电管理IC，因为每一颗的功率小了，效率提升了，散热面积大了，发热就小了。目前vivo，魅族等最新的快充手机就是用的TI并行充电技术。这样的技术不像“直充”那样是跨时代的变革，它也是一种“补墙”的方案。但是这个方案还是会热，这个方案的制约是充电电流达到5A，也就是24W以上，还是会有问题。但是，由于“直充”方案OPPO申请了很多专利，所以其他的厂商都会存在进入障碍。
“明年，typeC接口一定会一统江山。第一：MTK的PE3.0是基于typeC的物理接口的，它是第一个跟随的；第二，高通最新的QC4.0也表示兼容typeC PD协议了。”赛微微电子CEO蒋燕波解释道，“所以，我们预计2017-18年中端至中高端的主流手机都会直接采用typeC的15W（5V 3A），充电管理IC效率做到非常高时，手机发热与目前的5V 2A差不多，也能接受。” 他称，“所以，不需要采用直充方式，基于type C的充电已能满足绝大部分手机的要求。但是如果要做到20W以上，还得采用双充电管理IC方案。”他称，赛微微电子针对典型的typeC方案可以提供一个93%效率的DC/DC充电管理IC，已有手机厂商采用了在设计中，2017年一季度就可以量产。蒋燕波也解释了他们为什么可以做到93%的效率：一是与代工厂合作的特殊工艺的贡献；二是赛微在后端加工上的改进，采用革新性的封装制程，前端与后端结合在一起，充电管理IC的内阻很小，所以效率就提升了。
今年中端机型主流是5V 2A，明后年是5V 3A，因为typeC的生态链支持，也成熟了，充电管理IC、端子、线材、适配器等成本都会大幅降低。但是追求极至快充的旗舰机会走向25-30w，比如mate9，super VOOC等。那么，花那么大的代价从5V 3A提升到28w（5V 5.6A），充电速度能够提升多少?蒋燕波简单的算了一下：按4000mA时的电池算，5V 3A大约90分钟能充满；如果换成28w（5V 5.6A），大约60分钟充满。
不过，三星的电池事件后，大家走向快充的速度都慢下来了。
三星Note7事故的原因不仅仅是电池
目前对于三星Galaxy Note7电池事故的几种猜测，“电池仓的设计太激进”的说法获得了更多人的认可，因为电池仓激进设计后，稍有弹性型变的时候，会挤压，就会出现短路现象。不过，昌旭采访中也有专家表示，不仅仅是电池的问题，充电管理IC的设计也存在问题，如果电池管理方案的保护做得很好，是在大部分电池异常发生时可以终止充电的，从而降低安全事故发生的几率。
“所以，三星他们的问题有部分原因可能是出在快充（24W）后的充电保护方案上。”他解释道。他们分析了充电管理方案后，发现三星使用了双芯并列充电管理方案，但是又与业界常用的比如TI的双芯方案结构不同。TI的“双芯”结构使用同一个输入电流控制开关，同一个入口进来，电流分配给两个芯片，进电池后再合并成一个，两颗搭配着用的，并且两颗在同一个控制回路里，主芯片停止工作，从芯片也会停止。但是，三星note7的不是这样的，它的主充电管理芯片与从充电管理芯片（来自两家不同的供应商M与D）两个充电回路各自独立，都同时接受AP的控制。所以，一旦AP出现锁死等问题，从充电管理芯片并不能被实时控制，在某些异常情况下，比如电池温度过高，就会引起事故。正是由于低概率偶发事件的组合会导致爆照的事故，这也就符合为什么在研发试产阶段很难发现问题隐患的情况。所以，三星的事故原因并不只是电芯的问题。
最可怕的是，多个风险因素如果同时存在，那出事的概率就大了。所以，TI与赛微微都提出“电池管理方案要做成闭环回路。”
所谓的闭环回路是指“闭环的电池监控+充电管理回路，即用电量计或者电池模拟前端监控电池，反馈的信息来控制充电管理IC的行为。”电池在不同条件下能够承受的充电电压电流是不一样的，温度高了，就要将电流下降一点；电池的电压或温度如果短时间迅速上升，就说明有大问题了，充电管理IC必须马上停止充电。这个技术路线的核心就是通过电量计对电池的实时监控来控制充电的行为。
要提一下的是，赛微与TI电池电量计的监测与校准方式完全不同（下面会分析TI电量计为什么会导致iphone6s突然掉电关机）。“赛微的电量计实时监测内阻的变化、温度等，所以我们新推出的电池充电管理IC是基于我们对电池电量的实时监控，这样形成的一个闭环去控制电池的充电行为，比采用两家不同公司的产品更有优势。”蒋燕波表示。电量计放在电池包中是最贴近电池的监控，也是最准确的监控。这样的方案以后会越来越流行。
苹果会用激进的大功率快充吗？
到现在为止，苹果也还是采用的5V 2.4A充电，并没有用激进的大功率快充？为什么？它未来会采用吗？
很多业界人士还记得大约10年前，笔记本电脑中出现过血的教训，当时索尼笔记本电脑因为电池事故大规模招回。后来，因为这件事情，促成保护IC行业出现了“二级保护”的标准：即除了第一级过充过放过流短路保护IC外，还在后面再加一颗保护IC，以防一级失效时，二级保护IC启动。很多笔记本电脑都采用了。
但是，现在所有的手机中，只有苹果用了电池二级保护。“然而，二级保护的最大问题是做快充会非常困难。”蒋燕波解释，因为两颗保护IC电路要串在充放电的回路里，增加了充放电回路的内阻。现在做快充的时候，大家对于充放电回路的内阻非常“计较”，比如OPPO，对于充放电回路的每一毫欧内阻都要“算计如何节省”，因为每一毫欧都会代表着新的发热，所以OPPO最后才能做成一个非常小的充电回路内阻。比如三年前，普通电池包的内阻是100毫欧，而OPPO可以做到不到20毫欧。OPPO花了很多投资在做这件事情，可以说不遗余力。“不仅要电芯的内阻小，电池保护板板上的内阻也要非常小。”他解释。
这也是为什么目前苹果采用了“双保护IC”后无法做到“快充”的原因。目前仍是5V 2.4A，是它在现有技术下的极限。考虑到三星今年因为激进的快充导致的电池事件，苹果未来在快充上会更加谨慎，昌旭分析这也是为什么苹果会在明年推无线充电的原因之一。因为要实现便捷充电有两条路径：一是快速充电、二是随时随地充电比如在公共场所的无线充电（昌旭在前不久有一篇文章是简述下一代iphone无线充电及无线充电技术趋势的，也在“电子产业前沿”公众号发表，欢迎阅读）。
Iphone6s关机事件重新认识电量计
可以说2016全年的大新闻都几乎在围绕电池，这不，年尾关于iphone6s突然关机事件，也是由于电池的管理不善导致的。
“关于这件事情确实是与电量计有关系，之前在前一代iphone6也出现过类似问题。”蒋燕波说道。他解释，从低温零度时的放电曲线看，轻载转重载时，TI的电量计有几率出现突然从10%（或者30%，甚至50%）跳到0%，就会关机了。分析原因:第一，TI的电量计算法在温度补偿算法上面补偿速度比较慢；第二，TI的电量计算法是有累计误差的，这种累计误差需要用户去用一个特殊的场景去消除：即不充不放，关机45分钟。这个在以前用户每天关机的情况下是没有问题的，但是现在用户很少关机了，所以TI依赖的校准条件总是不出现，所以会导致丢失长期的精度。这就是为什么有人会在50%突然关机，有人会有30%突然关机，有人会在10%突然关机，这与它的校准机制有关。
为什么在iphone4/5没有出现这种情况，而是在iphone6开始出现这种情况，是因为以前手机的电池容量与耗电的比例相比是足够用的，我们称为倍率，以前的倍率低，倍率低对于电量计来说，电池的标准与计算就会容易一些，跟踪也会比较容易。现在的倍率变高了，问题就容易暴露了。
“由于我们进入时间晚，并且不能按照TI的工作原理和实现方式去做，必须另辟蹊径，所以赛微微采用了不同的算法，并申请了我们自己的专利。我们的算法fastcali是不断地跟踪、不断地校准，不需要关机。正是因为我们在开始设计的时候，我们就用了这种方式，而现在正好迎合了大家使用手机不关机的习惯。”他称。
不过，三星出问题后，苹果在对电池的管理上会非常保守，所以，即使有以上的bug出现，他应该也不会轻易地更换电池电量计芯片厂商。
“电池电量计IC有非常高的门槛，除了对IC半导体技术比较熟悉外，还要了解电池电化学，TI之前也是通过收购Benchmarq获才获得了电池电化学技术。所以，我们一开始就从比亚迪与ATL等公司请来一些人才专家。我们与其它某些创业公司不一样，我们是从头开始做起，所以从公司成立到第一款电池电量计芯片出来，用了四年的时间。”蒋燕波称。蒋燕波及创始团队主要成员来自意法半导体和新思科技。
台湾以前出现过抄TI电量计产品的，但是由于专利问题，都不能在市场形成规模销售（TI有一个非常庞大的专利池，是有关电量计专利的，其核心专利都是围绕内阻跟踪，在电池的全生命周期中跟踪电池的容量。）“我们‘fastcali’与TI的专利完全不同，从采集系统上就完全不一样，与TI完全不冲突。”他称，赛微微电子今年电量计累计出货已达到40KK，从来没有收到过任何关于专利的起诉。
这里要解释一下，关于电量的计算，手机主平台MTK与高通等等，都有一个粗略的电量计算，但这样的电量估计方式往往带来不好的用户体验并引发客诉。随着用户对电池使用的用户体验要求的提高，越来越多的厂商选择专用电量计IC来提高用户体验，解决电池在全温度场景内放电能力剧烈变化，以及电池全生命周期内的容量衰减等诸多问题。。而且，如前所述，随着快充向更高功率发展，精准地、贴近电池的独立电量计IC变得十分重要，一个“闭环的电池监控+充电管理回路：即用电量计监控电池，反馈的信息来控制充电管理IC的行为。”十分重要。
蒋燕波：我们的电量计与TI的电量计校准机制完全不同，我们的算法fastcali是不断地跟踪、不断地校准，不需要关机。
128位加密对“假电池”管理
电池鉴权认证芯片，快充时代这个也是一个必要的芯片了，因为快充后电池绝对不允许是“假”的。现在充电倍率已到了1C或者是2C，必须是手机厂商与电芯厂商定制的电芯才能承受这么大的电流。如果是一个第三方的任意电池（比如维修的时候被替换），换上后会出安全事故的隐患。所以需要一个集成AES 128位算法的鉴权芯片，通过与手机的应用处理器鉴权来认证电池的真实性。并且，为了防止维修店“换电芯不换电路板”的做法，这个鉴权芯片还要设计成只要一次供电失效，AES算法就会破坏，电池就不能工作了。“这个芯片赛微明年也准备推出。”蒋燕波透露。
“以后电池包功能会越来越健全，也会越来越复杂。”往真正在的“智能电池”方向发展。电池鉴权认证OPPO现在就在用了，是TI的方案。华为Mate9的电池包中用了一个定制芯片，猜测也是用了鉴权算法，但是定制IC难度很大，一般公司自己是做不了的。海思也有自己的充电管理芯片。“每一家公司都有自己的做法，我们做的充电鉴权IC优势是功耗非常低，只有3微安，对电池不构成负载。”他称。
充电宝对各种快充手机如何识别？
现在充电宝也在往快充功能发展，但是它如何识别目前复杂的各种技术流派呢？“现在处在一个标准混乱的阶段，升压是走MTK PE3.0直通还是走高通的QC3，还是走typeC？最近，高通的QC4.0兼容typeC后，会相对简化标准，未来，物理层上大家统一用typeC，上层各家跑自己的命令。所以，只有typeC的5V 3A大家都是要兼容的。但是，对于移动电源来说，两种模式还是很难兼容：直充是要降压，其它的快充标准是要升压。” 蒋燕波解释，“未来我们会做智能USB快充识别，内置MCU与算法，可以识别出每家的快充方案。” 北美最大的USB电源厂商Anker是赛微的大客户之一。
另外，越来越多的笔记本电脑也可以给手机（5V,2.4/2A）快充：笔记本电脑开机的时候因为要做通信功能，所以给手机充电的时候是1.5A；笔记本关机/待机的时候，可以给手机进行5V 2.4A/2A的快充。“在USB快充识别领域，我们正努力增加附加值，比如我们把USB端口的限流保护也加进去，现在做的type C识别芯片又增加了端口限流开关，后面会将更多通信功能加入。”他称。他提示，有些笔记本电脑用这个功能的时候，要进bios设置一下，特别是关机充电功能，不是默认功能。
除了充电宝外，车充、墙插，排插等都要用到快充识别，以对不同手机进行充电。
