手机charger芯片的选型方案及外围电路搭建_charge芯片的功能

引言

随着智能手机的普及和功能的增强，手机电池的容量和功率需求也不断提高，因此手机充电器的性能和效率也越来越受到重视。手机充电器的核心部件是charger芯片，它负责将输入电源转换为适合电池充电的电压和电流，并实现充电过程的控制和保护。本文将从以下几个方面介绍手机charger芯片的相关知识：

• 手机charger芯片的主要拓扑结构
• 手机charger芯片的选型方案
• 手机charger芯片的外围电路搭建
• 手机charger芯片的电路原理

本文旨在为工程师提供一些参考和指导，帮助他们更好地设计和优化手机充电器。

手机charger芯片的主要拓扑结构

手机charger芯片主要有三种拓扑结构：线性、开关降压和开关升压。不同的拓扑结构有不同的优缺点，需要根据输入电压范围、电池配置、充电电流和效率等因素来选择。

线性charger芯片

线性charger芯片是最简单和最便宜的方案，但是效率低，发热大，不适合高功率的快充应用。线性charger芯片将输入电压和电池电压之间的差值转化为热量，因此输入电压越高，效率越低。线性charger芯片适合输入电压接近或略高于电池电压的情况，例如单节锂离子电池或者低功耗设备。

图1是一个典型的线性charger芯片的外围电路图，以TI公司的BQ24075为例。该芯片可以从USB或者AC适配器输入5V，并输出恒流恒压（CC/CV）模式的充电电流和电压。该芯片还具有过温保护、过流保护、短路保护等功能。

图1 线性charger芯片外围电路图

开关降压charger芯片

开关降压charger芯片是最常用和最高效的方案，它使用开关管和电感来实现输入电压到电池电压的降压转换，效率可达95%以上。开关降压charger芯片适合输入电压始终高于电池电压的情况，例如USB Type-A或Type-C接口。

图2是一个典型的开关降压charger芯片的外围电路图，以MPS公司的MP2636为例。该芯片可以从5V到20V的输入源进行充电，并支持NVDC（Non-Volatile Direct Charge）模式，即系统始终跟随电池电压变化，以减小系统各部件的电压应力。该芯片还具有反向工作模式（OTG），即可以从内部电池向外部设备供电。

 

图2 开关降压charger芯片外围电路图

开关升压charger芯片

开关升压charger芯片是一种特殊的方案，它使用开关管和电感来实现输入电压到电池电压的升压转换，效率较低，但可以支持低输入电压的充电源，例如太阳能板或热电发生器。开关升压charger芯片适合输入电压低于或者变化范围包含电池电压的情况，例如多节锂离子电池或者高功耗设备。

图3是一个典型的开关升压charger芯片的外围电路图，以TI公司的BQ25790为例。该芯片可以从2.5V到22V的输入源进行充电，并支持恒流恒压（CC/CV）模式和恒功率（CP）模式。该芯片还具有反向工作模式（OTG），即可以从内部电池向外部设备供电。

图3 开关升压charger芯片外围电路图

手机charger芯片的选型方案

根据上述拓扑结构的特点，我们可以根据以下几个步骤来选择合适的手机charger芯片：

• 确定输入电源的类型和范围，例如USB接口、AC适配器、太阳能板等。
• 确定电池的类型和配置，例如锂离子、镍氢、单节、多节等。
• 确定充电电流和功率的需求，例如1A、2A、10W、20W等。
• 确定充电效率和发热量的要求，例如90%、95%、1W、2W等。
• 根据以上条件，选择合适的拓扑结构和芯片型号，并参考数据手册设计外围电路。

表1是一个简单的手机charger芯片选型方案示例，仅供参考。

手机charger芯片的外围电路搭建

在选择了合适的手机charger芯片后，我们还需要根据数据手册设计外围电路，包括输入滤波、输出滤波、反馈分压、保护元件等。这些外围元件的选择和计算会影响到充电器的性能和稳定性，因此需要仔细考虑。

输入滤波

输入滤波主要是为了减小输入源的噪声和纹波对充电器的干扰，同时也为了减小充电器对输入源的影响。一般来说，输入滤波包括一个电解电容和一个陶瓷电容，电解电容用于提供低频的大电流，陶瓷电容用于提供高频的小电流。输入滤波电容的大小和类型需要根据输入源的特性和充电器的要求来选择，一般来说，电容越大，滤波效果越好，但是成本也越高。另外，还需要注意输入滤波电容的耐压和温度系数等参数。

图4是一个输入滤波电路的示意图，以MP2636为例。该芯片需要在VIN和GND之间接一个10μF的陶瓷电容和一个47μF的电解电容，以保证输入稳定。

图4 输入滤波电路示意图

输出滤波

输出滤波主要是为了减小充电器输出的纹波和噪声对电池和系统的影响，同时也为了提高充电器的动态响应。一般来说，输出滤波包括一个电感和一个陶瓷电容，电感用于实现开关转换，陶瓷电容用于平滑输出。输出滤波元件的大小和类型需要根据充电器的拓扑结构和参数来选择，一般来说，电感越大，纹波越小，但是效率也越低；电容越大，动态响应越好，但是成本也越高。另外，还需要注意输出滤波元件的饱和电流、损耗、寄生参数等。

图5是一个输出滤波电路的示意图，以MP2636为例。该芯片需要在SW和BAT之间接一个1.5μH的开关降压型电感，并在BAT和GND之间接一个22μF的陶瓷电容，以保证输出稳定。

图5 输出滤波电路示意图

反馈分压

反馈分压主要是为了设置充电器输出的恒压值，并提供给内部控制回路进行比较和调节。一般来说，反馈分压包括两个或者三个分压电阻，分别连接到充电器输出、反馈引脚和地线。反馈分压元件的大小和类型需要根据充电器芯片的规格来选择，一般来说，分压比越大，输出精度越高，但是功耗也越大；分压比越小，功耗越低，但是输出精度也越低。另外，还需要注意反馈分压元件的温度系数、匹配度、噪声等参数。

图6是一个反馈分压电路的示意图，以BQ25790为例。该芯片需要在BAT和FB之间接一个10kΩ的分压上拉电阻，并在FB和GND之间接一个5.11kΩ的分压下拉电阻，以设置输出恒压值为4.2V。

图6 反馈分压电路示意图

保护元件

保护元件主要是为了防止充电器受到过压、过流、短路、静电等异常情况的损坏，同时也为了保护电池和系统的安全。一般来说，保护元件包括一个或者多个二极管、熔断器、保险丝、气体放电管、TVS管等。保护元件的大小和类型需要根据充电器的工作条件和故障模式来选择，一般来说，保护元件越多，安全性越高，但是成本也越高；保护元件越少，成本越低，但是安全性也越低。另外，还需要注意保护元件的触发电压、触发电流、压降、耐压等参数。

图7是一个保护元件电路的示意图，以MP2636为例。该芯片需要在VIN和GND之间接一个TVS管，以防止输入过压；在BAT和GND之间接一个二极管，以防止输出反向；在BAT和SYS之间接一个熔断器，以防止输出过流。

图7 保护元件电路示意图

手机charger芯片的电路原理

在设计好手机charger芯片的外围电路后，我们还需要了解充电器的电路原理，包括充电模式、充电曲线、充电状态等。

这些内容可以帮助我们更好地理解充电器的工作原理和特性，同时也可以帮助我们进行故障诊断和优化调试。

充电模式

充电模式主要是指充电器对输出电流和电压的控制方式，一般有恒流恒压（CC/CV）模式和恒功率（CP）模式两种。恒流恒压模式是最常用的充电模式，它将充电过程分为两个阶段：恒流阶段和恒压阶段。在恒流阶段，充电器输出一个固定的充电电流，并且随着电池电压的升高而升高输出电压；在恒压阶段，充电器输出一个固定的充电电压，并且随着电池容量的增加而降低输出电流。恒功率模式是一种新型的充电模式，它将充电过程分为三个阶段：恒功率阶段、恒流阶段和恒压阶段。在恒功率阶段，充电器输出一个固定的充电功率，并且随着输入源的变化而调节输出电流和电压；在恒流阶段和恒压阶段，与CC/CV模式相同。

图8是一个典型的CC/CV模式和CP模式的充电曲线示意图。

                                         图8 CC/CV模式和CP模式的充电曲线示意图

充电状态

充电状态主要是指充电器对充电过程的监测和反馈，一般有充电中、充电完成、充电故障等几种。不同的充电状态会对应不同的输出行为和指示信号，以便用户和系统了解充电情况。一般来说，充电器会通过一个或者多个引脚或者寄存器来输出充电状态，例如CHG、PG、STAT等。不同的充电状态的判断条件和切换逻辑需要根据充电器芯片的规格来确定，一般来说，以下几个因素会影响充电状态：

• 输入源是否存在和有效
• 输出电流是否达到预设值或者终止值
• 输出电压是否达到预设值或者终止值
• 充电时间是否超过预设值或者限制值
• 温度是否超过预设值或者限制值
• 其他异常情况，例如短路、开路、反接等

图9是一个典型的充电状态转换图，以BQ24072为例。

图9 充电状态转换图

本文介绍了手机charger芯片的主要拓扑结构、选型方案、外围电路搭建和电路原理，以供工程师参考。