摘 要： 提出了一種應用在LTE手機中的充電技術，克服了傳統手機充電方法的不足。新技術可以最大限度地延長充電電池的壽命，保證在規定時間內將電池完全充滿；可以精確測算出每次實際充入電池的電量，并可據此判定電池品質下降程度及剩余使用期限。新技術實現了傳統手機充電方法不能實現的新功能：在手機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。經驗證本創新性能可靠，且易于實現，有推廣應用價值。
關鍵詞： 鋰電池；移動電話；涓流充電；恒流充電；恒壓充電
LTE手機在獲得國家批準運營后，經過兩年的商用，新增了許多功能，除了GSM的基本功能外，還包括視頻通話、高速數據傳輸、手機電視功能[1]等。其中任何一項功能如需長時間服務，在沒有電源適配器的情況下，除了要有高性能的電池，對充電技術也提出了更高的要求。
傳統手機充電實現方法存在缺陷。使用傳統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，從而影響手機待機/通話時間；使用傳統方法給手機電池充電的同時使用手機（如玩游戲、打電話等），充電時間明顯延長；傳統方法不能準確測算每次實際充入電池的電量，而只能給出估計量。本文采用一種新的手機充電技術，克服傳統手機充電方法的不足。新技術不僅可以最大限度地延長充電電池的壽命，還能保證在規定時間內將電池完全充滿；即使邊充電邊使用手機，也不會延長充電時間；可以精確測算出每次實際充入電池的電量，并可據此判定電池品質下降程度及剩余使用期限。另外，新方法還實現了傳統手機充電方法不能實現的新功能，例如在手機電池電壓過低的情況下，只要插入外部充電器即可打電話（無需等待手機電池充至一定電壓）,甚至手機無需裝載電池,只要插入外部充電器就可打電話。
1 傳統手機充電技術缺陷分析
完整的手機充電電路包括兩部分[2]，一部分集成在手機主板內部，另一部分包含在手機配帶的外部充電器上。當對手機里的電池充電時，外部充電器所提供的功能相對比較簡單，即向手機內部充電電路提供充電電流，而手機內部充電硬件電路及相應軟件才真正實現了電池充電的復雜過程。
傳統手機充電電路原理如圖1所示。
傳統手機充電方法存在很多缺點，給用戶帶來諸多不便，總結如下：
(1)縮短充電電池壽命。主要表現在以下兩方面：
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。在使用傳統方法對手機內電池充電時，電池同時給系統工作提供電源，因而電池往往處于一會兒充電一會兒放電的波動狀態。由于這種時充時放的過程占用電池的充電周期數，所以用戶真正能使用的總充電周期數變少了，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，當電容量下降一定幅度后，使用傳統方法將無法給此電池充電，具體過程如下：
當此鋰電池用完電(電壓低于開機電壓)后，插入充電器，首先啟動涓流充電（常為幾十毫安），當電池電壓剛充至開機電壓時系統立即開機，但這時由于系統工作所耗電流遠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電壓處提供足夠電流，所以電池電壓立即降至關機電壓，系統關機。然后充電電路繼續給此鋰電池涓流充電，并無限重復此過程。最終電池永遠無法充滿，系統也永遠不能開機。
由此可見，雖然此鋰電池使用壽命可能并未結束，但如果采用傳統手機充電方法，此鋰電池已不能繼續使用，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電壓的鋰電池充電時首先進行涓流充電，為了保護鋰電池，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)。當鋰電池電壓接近截止電壓(常為4.2 V)時充電進入第3個階段，即恒壓充電。恒壓充電電流會逐漸變小，當其降至0.01 C5A時，認為鋰電池已充滿[4]。根據前文知，傳統方法不能準確計算出實際充入鋰電池的電流I3(t)，而用其估計值I3(t)代替，而實際充電電流估計值I3(t)取決于手機系統工作所耗電流的估計值I2(t)。由于實際工作時手機系統工作所耗電流是瞬變的，因而難以準確確定其估計值I2(t)。
(3)邊充電邊使用手機時，充電時間明顯延長
采用傳統方法充電時,由于手機系統消耗電流I2(t)來源于I1(t)，會減少實際充入電池的電流，因而手機充電時間會大大延長。
(4)不能準確測算實際充入電池的電量
使用傳統方法充電時，CPU只能準確測得I1(t)，而無法準確得到系統工作消耗電流I2(t)，因而不能準確得到實際充入電池的電流I3(t)，所以傳統方法不可能準確測得每次實際充入電池的電量，而只能給出其粗略的參考值。
2 LTE手機充電技術原理分析
LTE手機所用充電技術對傳統充電技術進行了改進，新技術設計思想是：將充電時手機系統消耗電流和充電電流分離，從而準確控制電池充電過程和最佳保護電池。
改進后充電技術硬件電路原理如圖3所示，其中左側虛線框以內部分為新技術較傳統技術增加的電路，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通道增強型且導通電阻很小（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工作消耗電流而定)，C3是容值較大的電容。
當手機不在充電狀態時，VCHG為0 V，MOSFET的柵極被拉至0 V，所以MOSFET立即導通,由電池為手機系統工作提供電流，此時二極管D3會防止電池輸出的電流通過LDO漏電。
當充電器插入手機開始充電時，VCHG變為5 V，MOSFET的柵極被拉至5 V，所以MOSFET立即關閉，此時由VCHG為手機系統工作提供電流。二極管D2會防止充電器頻繁插拔時導致手機系統瞬間掉電。
新技術軟件流程與傳統技術軟件流程基本一樣，只是計算實際充電電流的方法不同。傳統技術需計算I1(t)-I2(t)(見圖1)，并將其結果作為實際充電電流，而新技術直接將測得的ICHG(t)(見圖3)作為實際充電電流，ICHG(t)由式(4)計算得到：
可見新技術軟件流程較傳統技術更簡單、更易實現。
3 LTE手機充電技術評價
相比較傳統技術，新技術有以下優點：
(1)最大限度延長充電電池的壽命。新技術中，充電過程中手機系統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，不像傳統方法使電池總是處于時充時放態[5]，所以節省了充電周期數，延長了電池壽命。另外，當電池使用一段時間后電容量有很大幅度下降時，新技術仍然能給電池充滿電并保證用戶能夠繼續使用，因而新技術能最大限度地延長電池使用壽命。
(2)一定能在規定時間內將電池完全充滿。新技術中，軟件可以精確測得實際充入電池的電流，因而可以準確控制充電電路在規定時間內使電池完全充滿。
(3)任何條件下充電時間都不會延長。新技術充電電流不受其他因素影響，所以即使邊充電邊使用手機，充電時間也不會延長。
(4)可精確測算出每次實際充入電池的電量。新技術可以準確測得實際充電電流，再根據充電時間，便可精確計算得到實際充入電池的電量。如果將電池充滿后的電量與出廠值比較，便能得到當前電池電容量下降程度，也可以據此判定電池的剩余使用期限。
(5)在手機電池沒電、甚至手機未裝電池條件下均可做到即插即用。即使手機電池電壓過低(低于開機電壓)，只要插入外部充電器即可打電話（無需等待手機電池充至一定電壓），甚至手機無需裝載電池,只要插入外部充電器就可打電話。這也是新技術所特有的功能。
(6)新技術軟件更簡單、更易實現。由于新技術更容易測算實際充入電池的電流，因而軟件更簡單。
表1表示是LTE手機用新充電技術與傳統充電技術測出的數據。
本文所述改進后的手機充電技術實現簡單，并且功能完善，克服了傳統手機充電技術的諸多缺陷。應用新技術，不僅每次充電時間不會延長，并可實際測算每次充入電池的電量。在手機電池沒電，甚至手機未裝電池條件下均可做到即插即用。最重要的是，新技術最大限度地延長了電池的使用壽命。在實際的LTE手機中應用，其性能完全優于傳統的手機充電技術。因為新技術是修改內部充電電路來實現性能優化，其電源接口和手機適配接口[6]均無改動，所以不會違反國家所制定的手機充電器接口標準。
參考文獻
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[4] 蘇金然，秦興才.GB/T 18287-2000.蜂窩電話用鋰離子電池總規范[S].國家質量技術監督局，2000.
[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.
[6] 張惠，馮英.電源大全[M].成都：西南交通大學出版社，1993.