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發布日期：2016-12-16 瀏覽量：3322
2016年，手機市場最熱鬧的莫過于與電池相關的新聞了。不論是“充電5分鐘通話2小時”帶來了的OPPO熱，還是三星Galaxy note7電池爆炸，直至年尾時分傳出的蘋果iPhone6s無故關機，這些都與電池相關，說得具體一點，都與電池的管理芯片方案相關。別看一個小小的電池及充電，圍繞著他的芯片管理，可是大有學問，特別是大家將充電功率提高到15w以上的時候，明年旗艦機都往28w去了，還會帶來各種安全隱患。
下面昌旭邀請到國內電池管理芯片的領導廠商——賽微微電子CEO蔣燕波，來與大家講講這方面的故事，分析一下2016年鬧得人心慌的幾件大事，并預測2017年，手機電池管理的幾大重要技術突破。
講故事前先看懂一張圍繞手機電池管理的簡單的結構圖，因為后面所有的故事（事故）都與它有關。
這里，最核心的是充電管理IC，它管理所有的充電行為，即鋰電池所需的涓流/恒流/恒壓控制。因為它是基于DC/DC的架構進行電壓電流的變換，當充電功率越大時，上面的損耗就會越大。另一個是電量計IC，它是一個專用的ASIC器件，用來實時跟蹤電池的電量和內阻，并對電池的電量進行校準，趨勢是越來越多的方案都會將電量計移到電池包的電路板上，電池包的定制也越來越高科技；第三個是置于電池包內的電池保護IC，用來作為過放過充過壓過流短路等情況下的保護，電池保護IC在發生各種電池異常情況時會控制電池保護板上的MOS來關斷充放電回路以保障電池使用安全。還有一個是電池模擬前端與鑒權IC，位于電池包內對電池實時監控，并且采用加密算法對真假電池進行認證。不管是電池包側的電量計IC還是電池模擬前端及鑒權IC，都能夠在電池包內部對電池包進行“貼身監視”，實時監測電池的各種物理參數變化，并通過與主機通訊對充放點行為進行管理，如果這個機制出現了問題，在快充的情況下，，就會出大問題，后面會分析今年最典型的案例。
要做好以上這些電池管理IC，不僅要懂得電子技術，還要熟悉電池電化學技術，它是這兩種技術的結合，所以，這里的玩家并不多，特別是電量計，基本上就三家：TI、美信、中國的賽微微電子。其中TI也是蘋果的供應商（這個從目前的iphone6s突然關機事件中大家已經知道），同時也是80%以上主流安桌手機的供應商，除了三星。三星的供應商是美信（我們后面會分析三星note7事故的原因）。而中國新星賽微微則是紅米、華碩、樂視、ZTE等品牌部分手機的電量計供應商。并且，三家管腳完全不兼容，這里，TI在電池電量計技術方面申請了諸多專利。
還要補充一下，這個很重要，就是我們還要把快充定義一下，如何稱為“快充”？其實，它是相對于慢的一個抽象的概念。比如5V 2A（10W，也有的采用9V 1.2A）放在兩年前算是快充，但是放在今年，就成為標配了，所以我們就不稱為真的快充了。明年，type C原生支持的5V 3A也將成為標配，而且各廠商的高端旗艦機都可能會比typeC還要快，也就是會高于15W。所以，我們這里談到的是手機廠商采用高于行業標準typeC充電功率時，帶來的各種安全隱患及他們采取的解決辦法。同時，我們也還會講講針對這紛繁復雜的各種“快充”手機，移動電源（也就是充電寶）端如何提供快充技術的識別與支持。
好了，有了這些基本的概念，我們開始講快充的故事及它在2016年惹的那些“事故”，以及2017年如何防范這些快充惹的各種禍。對了，我們還要分析一下，蘋果有可能用激進的快充嗎？為什么？
快充的兩種“降熱”方案的較量
“直通快充”與“雙充電管理IC”
我們把充電管理分為兩個階段：第一個階段是從適配器到手機USB口、第二個階段是從手機的USB入口到電池的充電管理及電池保護控制等等。
傳統上適配器輸出一個5V的電源給手機，手機內的充電管理IC將之轉成電池端電壓需要的電源，5V要降壓后產生恒流/恒壓電源給電池供電，這個轉換有效率的問題。為什么說快充做到15W以上面臨很大的技術門檻？因為這個DC/DC的效率目前最高的就是TI，也就是91%的效率，大電流可能就是90%，這個映射出來就是15W充電時DC/DC上耗散的功率達1.5W，手機就會發燙。
為解決快充手機端發熱的問題，三年前，OPPO采用了新的思路，將DC/DC降壓的工作放到了適配器端，讓充電管理的功能由適配器來完成，適配器直接產生恒流源對電芯充電，繞過了手機里的充電管理IC，這樣手機端就不會發熱了，而適配器端由于空間大，散熱快，發熱也不會嚴重。在VOOC快充方案中，手機端有一個物理開關，來什么電流，直接傳給電池，所以手機端不會因為DC/DC耗熱而發熱。VOOC方案的手機端僅有一個常規的TI電池管理IC，支持2A充電。快充的時候直通，臨近充滿時，通過一個開關轉換到這個TI的芯片上，以2A的電流再繼續給電池充電。
這就是目前業界稱為“直通的快速充電”，OPPO為這種技術申請了上百個專利。這種方案消費者感覺不到手機的過度發熱，所以受到歡迎，后來，MTK的PE3.0快充標準，也支持類似的直充技術。華為最新的Mate9也有可能用了類似的技術，但是在細節上有不同，后面再聊。這種方案后面會被越來越多的公司采用，很多公司都在直充方案上排兵布陣，不知道OPPO如何在這里守住城池。
所以，還有另外一個技術流派“降溫”。為了給15W以上充電的手機端降熱，另一個技術流派是目前TI在主推的并行充電技術：15W以上的快充采用兩個DC/DC充電管理IC，因為每一顆的功率小了，效率提升了，散熱面積大了，發熱就小了。目前vivo，魅族等最新的快充手機就是用的TI并行充電技術。這樣的技術不像“直充”那樣是跨時代的變革，它也是一種“補墻”的方案。但是這個方案還是會熱，這個方案的制約是充電電流達到5A，也就是24W以上，還是會有問題。但是，由于“直充”方案OPPO申請了很多專利，所以其他的廠商都會存在進入障礙。
“明年，typeC接口一定會一統江山。第一：MTK的PE3.0是基于typeC的物理接口的，它是第一個跟隨的；第二，高通最新的QC4.0也表示兼容typeC PD協議了。”賽微微電子CEO蔣燕波解釋道，“所以，我們預計2017-18年中端至中高端的主流手機都會直接采用typeC的15W（5V 3A），充電管理IC效率做到非常高時，手機發熱與目前的5V 2A差不多，也能接受。” 他稱，“所以，不需要采用直充方式，基于type C的充電已能滿足絕大部分手機的要求。但是如果要做到20W以上，還得采用雙充電管理IC方案。”他稱，賽微微電子針對典型的typeC方案可以提供一個93%效率的DC/DC充電管理IC，已有手機廠商采用了在設計中，2017年一季度就可以量產。蔣燕波也解釋了他們為什么可以做到93%的效率：一是與代工廠合作的特殊工藝的貢獻；二是賽微在后端加工上的改進，采用革新性的封裝制程，前端與后端結合在一起，充電管理IC的內阻很小，所以效率就提升了。
今年中端機型主流是5V 2A，明后年是5V 3A，因為typeC的生態鏈支持，也成熟了，充電管理IC、端子、線材、適配器等成本都會大幅降低。但是追求極至快充的旗艦機會走向25-30w，比如mate9，super VOOC等。那么，花那么大的代價從5V 3A提升到28w（5V 5.6A），充電速度能夠提升多少?蔣燕波簡單的算了一下：按4000mA時的電池算，5V 3A大約90分鐘能充滿；如果換成28w（5V 5.6A），大約60分鐘充滿。
不過，三星的電池事件后，大家走向快充的速度都慢下來了。
三星Note7事故的原因不僅僅是電池
目前對于三星Galaxy Note7電池事故的幾種猜測，“電池倉的設計太激進”的說法獲得了更多人的認可，因為電池倉激進設計后，稍有彈性型變的時候，會擠壓，就會出現短路現象。不過，昌旭采訪中也有專家表示，不僅僅是電池的問題，充電管理IC的設計也存在問題，如果電池管理方案的保護做得很好，是在大部分電池異常發生時可以終止充電的，從而降低安全事故發生的幾率。
“所以，三星他們的問題有部分原因可能是出在快充（24W）后的充電保護方案上。”他解釋道。他們分析了充電管理方案后，發現三星使用了雙芯并列充電管理方案，但是又與業界常用的比如TI的雙芯方案結構不同。TI的“雙芯”結構使用同一個輸入電流控制開關，同一個入口進來，電流分配給兩個芯片，進電池后再合并成一個，兩顆搭配著用的，并且兩顆在同一個控制回路里，主芯片停止工作，從芯片也會停止。但是，三星note7的不是這樣的，它的主充電管理芯片與從充電管理芯片（來自兩家不同的供應商M與D）兩個充電回路各自獨立，都同時接受AP的控制。所以，一旦AP出現鎖死等問題，從充電管理芯片并不能被實時控制，在某些異常情況下，比如電池溫度過高，就會引起事故。正是由于低概率偶發事件的組合會導致爆照的事故，這也就符合為什么在研發試產階段很難發現問題隱患的情況。所以，三星的事故原因并不只是電芯的問題。
最可怕的是，多個風險因素如果同時存在，那出事的概率就大了。所以，TI與賽微微都提出“電池管理方案要做成閉環回路。”
所謂的閉環回路是指“閉環的電池監控+充電管理回路，即用電量計或者電池模擬前端監控電池，反饋的信息來控制充電管理IC的行為。”電池在不同條件下能夠承受的充電電壓電流是不一樣的，溫度高了，就要將電流下降一點；電池的電壓或溫度如果短時間迅速上升，就說明有大問題了，充電管理IC必須馬上停止充電。這個技術路線的核心就是通過電量計對電池的實時監控來控制充電的行為。
要提一下的是，賽微與TI電池電量計的監測與校準方式完全不同（下面會分析TI電量計為什么會導致iphone6s突然掉電關機）。“賽微的電量計實時監測內阻的變化、溫度等，所以我們新推出的電池充電管理IC是基于我們對電池電量的實時監控，這樣形成的一個閉環去控制電池的充電行為，比采用兩家不同公司的產品更有優勢。”蔣燕波表示。電量計放在電池包中是最貼近電池的監控，也是最準確的監控。這樣的方案以后會越來越流行。
蘋果會用激進的大功率快充嗎？
到現在為止，蘋果也還是采用的5V 2.4A充電，并沒有用激進的大功率快充？為什么？它未來會采用嗎？
很多業界人士還記得大約10年前，筆記本電腦中出現過血的教訓，當時索尼筆記本電腦因為電池事故大規模招回。后來，因為這件事情，促成保護IC行業出現了“二級保護”的標準：即除了第一級過充過放過流短路保護IC外，還在后面再加一顆保護IC，以防一級失效時，二級保護IC啟動。很多筆記本電腦都采用了。
但是，現在所有的手機中，只有蘋果用了電池二級保護。“然而，二級保護的最大問題是做快充會非常困難。”蔣燕波解釋，因為兩顆保護IC電路要串在充放電的回路里，增加了充放電回路的內阻。現在做快充的時候，大家對于充放電回路的內阻非常“計較”，比如OPPO，對于充放電回路的每一毫歐內阻都要“算計如何節省”，因為每一毫歐都會代表著新的發熱，所以OPPO最后才能做成一個非常小的充電回路內阻。比如三年前，普通電池包的內阻是100毫歐，而OPPO可以做到不到20毫歐。OPPO花了很多投資在做這件事情，可以說不遺余力。“不僅要電芯的內阻小，電池保護板板上的內阻也要非常小。”他解釋。
這也是為什么目前蘋果采用了“雙保護IC”后無法做到“快充”的原因。目前仍是5V 2.4A，是它在現有技術下的極限。考慮到三星今年因為激進的快充導致的電池事件，蘋果未來在快充上會更加謹慎，昌旭分析這也是為什么蘋果會在明年推無線充電的原因之一。因為要實現便捷充電有兩條路徑：一是快速充電、二是隨時隨地充電比如在公共場所的無線充電（昌旭在前不久有一篇文章是簡述下一代iphone無線充電及無線充電技術趨勢的，也在“電子產業前沿”公眾號發表，歡迎閱讀）。
Iphone6s關機事件重新認識電量計
可以說2016全年的大新聞都幾乎在圍繞電池，這不，年尾關于iphone6s突然關機事件，也是由于電池的管理不善導致的。
“關于這件事情確實是與電量計有關系，之前在前一代iphone6也出現過類似問題。”蔣燕波說道。他解釋，從低溫零度時的放電曲線看，輕載轉重載時，TI的電量計有幾率出現突然從10%（或者30%，甚至50%）跳到0%，就會關機了。分析原因:第一，TI的電量計算法在溫度補償算法上面補償速度比較慢；第二，TI的電量計算法是有累計誤差的，這種累計誤差需要用戶去用一個特殊的場景去消除：即不充不放，關機45分鐘。這個在以前用戶每天關機的情況下是沒有問題的，但是現在用戶很少關機了，所以TI依賴的校準條件總是不出現，所以會導致丟失長期的精度。這就是為什么有人會在50%突然關機，有人會有30%突然關機，有人會在10%突然關機，這與它的校準機制有關。
為什么在iphone4/5沒有出現這種情況，而是在iphone6開始出現這種情況，是因為以前手機的電池容量與耗電的比例相比是足夠用的，我們稱為倍率，以前的倍率低，倍率低對于電量計來說，電池的標準與計算就會容易一些，跟蹤也會比較容易。現在的倍率變高了，問題就容易暴露了。
“由于我們進入時間晚，并且不能按照TI的工作原理和實現方式去做，必須另辟蹊徑，所以賽微微采用了不同的算法，并申請了我們自己的專利。我們的算法fastcali是不斷地跟蹤、不斷地校準，不需要關機。正是因為我們在開始設計的時候，我們就用了這種方式，而現在正好迎合了大家使用手機不關機的習慣。”他稱。
不過，三星出問題后，蘋果在對電池的管理上會非常保守，所以，即使有以上的bug出現，他應該也不會輕易地更換電池電量計芯片廠商。
“電池電量計IC有非常高的門檻，除了對IC半導體技術比較熟悉外，還要了解電池電化學，TI之前也是通過收購Benchmarq獲才獲得了電池電化學技術。所以，我們一開始就從比亞迪與ATL等公司請來一些人才專家。我們與其它某些創業公司不一樣，我們是從頭開始做起，所以從公司成立到第一款電池電量計芯片出來，用了四年的時間。”蔣燕波稱。蔣燕波及創始團隊主要成員來自意法半導體和新思科技。
臺灣以前出現過抄TI電量計產品的，但是由于專利問題，都不能在市場形成規模銷售（TI有一個非常龐大的專利池，是有關電量計專利的，其核心專利都是圍繞內阻跟蹤，在電池的全生命周期中跟蹤電池的容量。）“我們‘fastcali’與TI的專利完全不同，從采集系統上就完全不一樣，與TI完全不沖突。”他稱，賽微微電子今年電量計累計出貨已達到40KK，從來沒有收到過任何關于專利的起訴。
這里要解釋一下，關于電量的計算，手機主平臺MTK與高通等等，都有一個粗略的電量計算，但這樣的電量估計方式往往帶來不好的用戶體驗并引發客訴。隨著用戶對電池使用的用戶體驗要求的提高，越來越多的廠商選擇專用電量計IC來提高用戶體驗，解決電池在全溫度場景內放電能力劇烈變化，以及電池全生命周期內的容量衰減等諸多問題。。而且，如前所述，隨著快充向更高功率發展，精準地、貼近電池的獨立電量計IC變得十分重要，一個“閉環的電池監控+充電管理回路：即用電量計監控電池，反饋的信息來控制充電管理IC的行為。”十分重要。
蔣燕波：我們的電量計與TI的電量計校準機制完全不同，我們的算法fastcali是不斷地跟蹤、不斷地校準，不需要關機。
128位加密對“假電池”管理
電池鑒權認證芯片，快充時代這個也是一個必要的芯片了，因為快充后電池絕對不允許是“假”的。現在充電倍率已到了1C或者是2C，必須是手機廠商與電芯廠商定制的電芯才能承受這么大的電流。如果是一個第三方的任意電池（比如維修的時候被替換），換上后會出安全事故的隱患。所以需要一個集成AES 128位算法的鑒權芯片，通過與手機的應用處理器鑒權來認證電池的真實性。并且，為了防止維修店“換電芯不換電路板”的做法，這個鑒權芯片還要設計成只要一次供電失效，AES算法就會破壞，電池就不能工作了。“這個芯片賽微明年也準備推出。”蔣燕波透露。
“以后電池包功能會越來越健全，也會越來越復雜。”往真正在的“智能電池”方向發展。電池鑒權認證OPPO現在就在用了，是TI的方案。華為Mate9的電池包中用了一個定制芯片，猜測也是用了鑒權算法，但是定制IC難度很大，一般公司自己是做不了的。海思也有自己的充電管理芯片。“每一家公司都有自己的做法，我們做的充電鑒權IC優勢是功耗非常低，只有3微安，對電池不構成負載。”他稱。
充電寶對各種快充手機如何識別？
現在充電寶也在往快充功能發展，但是它如何識別目前復雜的各種技術流派呢？“現在處在一個標準混亂的階段，升壓是走MTK PE3.0直通還是走高通的QC3，還是走typeC？最近，高通的QC4.0兼容typeC后，會相對簡化標準，未來，物理層上大家統一用typeC，上層各家跑自己的命令。所以，只有typeC的5V 3A大家都是要兼容的。但是，對于移動電源來說，兩種模式還是很難兼容：直充是要降壓，其它的快充標準是要升壓。” 蔣燕波解釋，“未來我們會做智能USB快充識別，內置MCU與算法，可以識別出每家的快充方案。” 北美最大的USB電源廠商Anker是賽微的大客戶之一。
另外，越來越多的筆記本電腦也可以給手機（5V,2.4/2A）快充：筆記本電腦開機的時候因為要做通信功能，所以給手機充電的時候是1.5A；筆記本關機/待機的時候，可以給手機進行5V 2.4A/2A的快充。“在USB快充識別領域，我們正努力增加附加值，比如我們把USB端口的限流保護也加進去，現在做的type C識別芯片又增加了端口限流開關，后面會將更多通信功能加入。”他稱。他提示，有些筆記本電腦用這個功能的時候，要進bios設置一下，特別是關機充電功能，不是默認功能。
除了充電寶外，車充、墻插，排插等都要用到快充識別，以對不同手機進行充電。
