摘  要： 提出了一種應(yīng)用在LTE手機(jī)中的充電技術(shù)，克服了傳統(tǒng)手機(jī)充電方法的不足。新技術(shù)可以最大限度地延長充電電池的壽命，保證在規(guī)定時間內(nèi)將電池完全充滿；可以精確測算出每次實(shí)際充入電池的電量，并可據(jù)此判定電池品質(zhì)下降程度及剩余使用期限。新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)手機(jī)充電方法不能實(shí)現(xiàn)的新功能：在手機(jī)電池電壓過低情況下，只要插入外部充電器即可打電話,甚至無需裝載電池。經(jīng)驗(yàn)證本創(chuàng)新性能可靠，且易于實(shí)現(xiàn)，有推廣應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞： 鋰電池；移動電話；涓流充電；恒流充電；恒壓充電

    LTE手機(jī)在獲得國家批準(zhǔn)運(yùn)營后，經(jīng)過兩年的商用，新增了許多功能，除了GSM的基本功能外，還包括視頻通話、高速數(shù)據(jù)傳輸、手機(jī)電視功能[1]等。其中任何一項(xiàng)功能如需長時間服務(wù)，在沒有電源適配器的情況下，除了要有高性能的電池，對充電技術(shù)也提出了更高的要求。
    傳統(tǒng)手機(jī)充電實(shí)現(xiàn)方法存在缺陷。使用傳統(tǒng)方法對電池充電會縮短充電電池壽命，且往往不能將電池完全充滿，從而影響手機(jī)待機(jī)/通話時間；使用傳統(tǒng)方法給手機(jī)電池充電的同時使用手機(jī)（如玩游戲、打電話等），充電時間明顯延長；傳統(tǒng)方法不能準(zhǔn)確測算每次實(shí)際充入電池的電量，而只能給出估計量。本文采用一種新的手機(jī)充電技術(shù)，克服傳統(tǒng)手機(jī)充電方法的不足。新技術(shù)不僅可以最大限度地延長充電電池的壽命，還能保證在規(guī)定時間內(nèi)將電池完全充滿；即使邊充電邊使用手機(jī)，也不會延長充電時間；可以精確測算出每次實(shí)際充入電池的電量，并可據(jù)此判定電池品質(zhì)下降程度及剩余使用期限。另外，新方法還實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)手機(jī)充電方法不能實(shí)現(xiàn)的新功能，例如在手機(jī)電池電壓過低的情況下，只要插入外部充電器即可打電話（無需等待手機(jī)電池充至一定電壓）,甚至手機(jī)無需裝載電池,只要插入外部充電器就可打電話。
1 傳統(tǒng)手機(jī)充電技術(shù)缺陷分析
    完整的手機(jī)充電電路包括兩部分[2]，一部分集成在手機(jī)主板內(nèi)部，另一部分包含在手機(jī)配帶的外部充電器上。當(dāng)對手機(jī)里的電池充電時，外部充電器所提供的功能相對比較簡單，即向手機(jī)內(nèi)部充電電路提供充電電流，而手機(jī)內(nèi)部充電硬件電路及相應(yīng)軟件才真正實(shí)現(xiàn)了電池充電的復(fù)雜過程。
    傳統(tǒng)手機(jī)充電電路原理如圖1所示。

    傳統(tǒng)手機(jī)充電方法存在很多缺點(diǎn)，給用戶帶來諸多不便，總結(jié)如下：
    (1)縮短充電電池壽命。主要表現(xiàn)在以下兩方面：
    ①充電電池的使用壽命是由電池最少充電周期數(shù)決定的，一個充電周期意味著電池的所有電量由滿用到空，再由空充到滿的過程。在使用傳統(tǒng)方法對手機(jī)內(nèi)電池充電時，電池同時給系統(tǒng)工作提供電源，因而電池往往處于一會兒充電一會兒放電的波動狀態(tài)。由于這種時充時放的過程占用電池的充電周期數(shù)，所以用戶真正能使用的總充電周期數(shù)變少了，也即電池壽命縮短。
    ②鋰電池在使用一段時間后，其電容量將有所下降，當(dāng)電容量下降一定幅度后，使用傳統(tǒng)方法將無法給此電池充電，具體過程如下：
    當(dāng)此鋰電池用完電(電壓低于開機(jī)電壓)后，插入充電器，首先啟動涓流充電（常為幾十毫安），當(dāng)電池電壓剛充至開機(jī)電壓時系統(tǒng)立即開機(jī)，但這時由于系統(tǒng)工作所耗電流遠(yuǎn)大于充電電路提供的涓流[3]充電電流，其差額部分電流由電池提供，由于電容量下降，此鋰電池已不能在開機(jī)電壓處提供足夠電流，所以電池電壓立即降至關(guān)機(jī)電壓，系統(tǒng)關(guān)機(jī)。然后充電電路繼續(xù)給此鋰電池涓流充電，并無限重復(fù)此過程。最終電池永遠(yuǎn)無法充滿，系統(tǒng)也永遠(yuǎn)不能開機(jī)。
    由此可見，雖然此鋰電池使用壽命可能并未結(jié)束，但如果采用傳統(tǒng)手機(jī)充電方法，此鋰電池已不能繼續(xù)使用，也就是說，鋰電池的使用期提前終止。
    (2)通常不能將電池完全充滿
    鋰電池充電會經(jīng)歷3個過程：涓流充電、恒流充電和恒壓充電。給電池電壓低于開機(jī)電壓的鋰電池充電時首先進(jìn)行涓流充電，為了保護(hù)鋰電池，涓流充電電流一般比較小(常為幾十毫安)。第二個階段為恒流充電，恒流充電電流很大(常為0.25~1 C5A，C5A為電池電容量)。當(dāng)鋰電池電壓接近截止電壓(常為4.2 V)時充電進(jìn)入第3個階段，即恒壓充電。恒壓充電電流會逐漸變小，當(dāng)其降至0.01 C5A時，認(rèn)為鋰電池已充滿[4]。根據(jù)前文知，傳統(tǒng)方法不能準(zhǔn)確計算出實(shí)際充入鋰電池的電流I3(t)，而用其估計值I3(t)代替，而實(shí)際充電電流估計值I3(t)取決于手機(jī)系統(tǒng)工作所耗電流的估計值I2(t)。由于實(shí)際工作時手機(jī)系統(tǒng)工作所耗電流是瞬變的，因而難以準(zhǔn)確確定其估計值I2(t)。
    (3)邊充電邊使用手機(jī)時，充電時間明顯延長
    采用傳統(tǒng)方法充電時,由于手機(jī)系統(tǒng)消耗電流I2(t)來源于I1(t)，會減少實(shí)際充入電池的電流，因而手機(jī)充電時間會大大延長。
    (4)不能準(zhǔn)確測算實(shí)際充入電池的電量
    使用傳統(tǒng)方法充電時，CPU只能準(zhǔn)確測得I1(t)，而無法準(zhǔn)確得到系統(tǒng)工作消耗電流I2(t)，因而不能準(zhǔn)確得到實(shí)際充入電池的電流I3(t)，所以傳統(tǒng)方法不可能準(zhǔn)確測得每次實(shí)際充入電池的電量，而只能給出其粗略的參考值。
2 LTE手機(jī)充電技術(shù)原理分析
    LTE手機(jī)所用充電技術(shù)對傳統(tǒng)充電技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，新技術(shù)設(shè)計思想是：將充電時手機(jī)系統(tǒng)消耗電流和充電電流分離，從而準(zhǔn)確控制電池充電過程和最佳保護(hù)電池。
    改進(jìn)后充電技術(shù)硬件電路原理如圖3所示，其中左側(cè)虛線框以內(nèi)部分為新技術(shù)較傳統(tǒng)技術(shù)增加的電路，包括D2、D3、MSF1、U1和C3。其中D2、D3是壓降為0.3 V的鍺二極管，MSF1是P通道增強(qiáng)型且導(dǎo)通電阻很小（通常小于50 mΩ）的MOSFET，U1是LDO，能在5 V輸入條件下輸出4.2 V~4.5 V電源(其輸出電流能力視系統(tǒng)工作消耗電流而定)，C3是容值較大的電容。
    當(dāng)手機(jī)不在充電狀態(tài)時，VCHG為0 V，MOSFET的柵極被拉至0 V，所以MOSFET立即導(dǎo)通,由電池為手機(jī)系統(tǒng)工作提供電流，此時二極管D3會防止電池輸出的電流通過LDO漏電。
    當(dāng)充電器插入手機(jī)開始充電時，VCHG變?yōu)? V，MOSFET的柵極被拉至5 V，所以MOSFET立即關(guān)閉，此時由VCHG為手機(jī)系統(tǒng)工作提供電流。二極管D2會防止充電器頻繁插拔時導(dǎo)致手機(jī)系統(tǒng)瞬間掉電。
    新技術(shù)軟件流程與傳統(tǒng)技術(shù)軟件流程基本一樣，只是計算實(shí)際充電電流的方法不同。傳統(tǒng)技術(shù)需計算I1(t)-I2(t)(見圖1)，并將其結(jié)果作為實(shí)際充電電流，而新技術(shù)直接將測得的ICHG(t)(見圖3)作為實(shí)際充電電流，ICHG(t)由式(4)計算得到：
    
可見新技術(shù)軟件流程較傳統(tǒng)技術(shù)更簡單、更易實(shí)現(xiàn)。

3 LTE手機(jī)充電技術(shù)評價
    相比較傳統(tǒng)技術(shù)，新技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：
    (1)最大限度延長充電電池的壽命。新技術(shù)中，充電過程中手機(jī)系統(tǒng)工作耗電由外部充電器提供，而非由電池直接提供。因而在充電過程中電池總是處于充電態(tài)，不像傳統(tǒng)方法使電池總是處于時充時放態(tài)[5]，所以節(jié)省了充電周期數(shù)，延長了電池壽命。另外，當(dāng)電池使用一段時間后電容量有很大幅度下降時，新技術(shù)仍然能給電池充滿電并保證用戶能夠繼續(xù)使用，因而新技術(shù)能最大限度地延長電池使用壽命。
    (2)一定能在規(guī)定時間內(nèi)將電池完全充滿。新技術(shù)中，軟件可以精確測得實(shí)際充入電池的電流，因而可以準(zhǔn)確控制充電電路在規(guī)定時間內(nèi)使電池完全充滿。
    (3)任何條件下充電時間都不會延長。新技術(shù)充電電流不受其他因素影響，所以即使邊充電邊使用手機(jī)，充電時間也不會延長。
    (4)可精確測算出每次實(shí)際充入電池的電量。新技術(shù)可以準(zhǔn)確測得實(shí)際充電電流，再根據(jù)充電時間，便可精確計算得到實(shí)際充入電池的電量。如果將電池充滿后的電量與出廠值比較，便能得到當(dāng)前電池電容量下降程度，也可以據(jù)此判定電池的剩余使用期限。
    (5)在手機(jī)電池沒電、甚至手機(jī)未裝電池條件下均可做到即插即用。即使手機(jī)電池電壓過低(低于開機(jī)電壓)，只要插入外部充電器即可打電話（無需等待手機(jī)電池充至一定電壓），甚至手機(jī)無需裝載電池,只要插入外部充電器就可打電話。這也是新技術(shù)所特有的功能。
    (6)新技術(shù)軟件更簡單、更易實(shí)現(xiàn)。由于新技術(shù)更容易測算實(shí)際充入電池的電流，因而軟件更簡單。
    表1表示是LTE手機(jī)用新充電技術(shù)與傳統(tǒng)充電技術(shù)測出的數(shù)據(jù)。

    本文所述改進(jìn)后的手機(jī)充電技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡單，并且功能完善，克服了傳統(tǒng)手機(jī)充電技術(shù)的諸多缺陷。應(yīng)用新技術(shù)，不僅每次充電時間不會延長，并可實(shí)際測算每次充入電池的電量。在手機(jī)電池沒電，甚至手機(jī)未裝電池條件下均可做到即插即用。最重要的是，新技術(shù)最大限度地延長了電池的使用壽命。在實(shí)際的LTE手機(jī)中應(yīng)用，其性能完全優(yōu)于傳統(tǒng)的手機(jī)充電技術(shù)。因?yàn)樾录夹g(shù)是修改內(nèi)部充電電路來實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化，其電源接口和手機(jī)適配接口[6]均無改動，所以不會違反國家所制定的手機(jī)充電器接口標(biāo)準(zhǔn)。
參考文獻(xiàn)
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[5] MAXIM Application Note 913.Switch-mode，linear，and pulse charging techniques for Li + Battery in mobile  phones and PDAs[OL/EB].[2001-12-27].http：//www.maximintegrated.com/app-notes/index.mvp/id/913.
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