CN106532820A - 一种快速充电方法及电子设备 - Google Patents
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Abstract
一种快速充电方法，用于适配器给电子设备的电池充电，所述适配器与所述电子设备连接，所述电子设备包括应用处理器、第一充电电路和第二充电电路；所述充电方法包括以下步骤：应用处理器检测电池电压；根据所述电池电压和预设条件计算所需充电电压；所述适配器提供所述充电电压，所述应用处理器控制所述第一充电电路对所述电池进行快速充电；其中，快速充电过程中，实时检测电池电压，对所述充电电压进行实时调整，使得所述充电电压匹配电池电压和充电损耗电压之和，从而使得充电速度与充电效率达到一个最优的平衡点。
Description
技术领域
本发明涉及充电技术领域，特别是涉及一种快速充电方法及电子设备。
背景技术
传统目前主流的快速充电技术有高通的Quick Charge(快速充电技术)；MTK的Pump Express Plus2.0以及OPPO的VOOC闪充。它们的Charge(充电)模块所采用的ChargeIC均是Switching Charger(Buck开关充电模块)型。电池是由一串多并(1SnP)的电芯与保护板组成。
Quick Charge：其最新协议为QC3.0，市场推广度最高，采用高压低电流的充电方式提高充电功率，采用D+D-完成协议通信。但由于采用高压充电，Charge模块的输入与输出的压差大，效率会低于常规充电。
Pump Express Plus2.0：与QC3.0类似，也是采用高压充电，但其通信协议是编码在VBUS的电流变化上。
VOOC闪充：采用低压高电流的方式提升充电功率。Charge模块的效率上相对QC3.0与PE+2.0，做的较好。但是由于输入电流Iin较大，所以在USB线缆、USB接口以及回路阻抗上的损耗较大，带来的温升也不容忽视。其兼容性较差，VOOC的适配器、VOOC的数据线及VOOC的手机才能开启VOOC闪充功能。
上述的三种快充技术，均是以牺牲充电效率作为代价来提升充电功率。而充电过程的温升，与充电功率成正比，与充电效率成反比。因此这三种快充技术相对常规充电，会带来更大的温升问题与成本，而温升问题会制约着充电功率的提升。
发明内容
本发明目的在于提供一种快速充电方法和电子设备，旨在解决常规快速充电技术会带来更大的温升问题与成本，而温升问题会制约着充电功率的提升的问题。
本发明提供了一种快速充电方法，用于适配器给电子设备的电池充电，所述适配器与所述电子设备连接，所述电子设备包括应用处理器、第一充电电路和第二充电电路；所述充电方法包括以下步骤：
识别所述适配器是否为快速充电适配器；
若所述适配器是快速充电适配器，则所述应用处理器检测电池电压；
根据所述电池电压和预设条件计算所需充电电压；
所述适配器提供所述充电电压，所述应用处理器控制所述第一充电电路对所述电池进行快速充电；
其中，快速充电过程中，对所述电池电压进行实时检测，并实时调整所述充电电压，使得所述充电电压匹配电池电压和充电损耗电压之和。
本发明还提供了一种电子设备，包括电池、应用处理器、第一充电电路和第二充电电路；所述应用处理器用于识别所述适配器是否为快速充电适配器；若所述适配器是快速充电适配器，则所述应用处理器检测电池电压；且根据所述电池电压和预设条件计算所需充电电压；所述适配器提供所述充电电压，所述应用处理器控制所述第一充电电路对所述电池进行快速充电；
其中，快速充电过程中，对所述电池电压进行实时检测，并实时调整所述充电电压，使得所述充电电压匹配电池电压和充电损耗电压之和。
上述的快速充电方法和电子设备在快速充电过程中，实时检测电池电压，对所述充电电压进行实时调整，使得所述充电电压匹配电池电压和充电损耗电压之和，从而使得充电速度与充电效率达到一个最优的平衡点。此时，充电速度达到最大的同时，可以保证较高的充电效率。
附图说明
图1为本发明较佳实施例中电子设备和快速充电适配器连接的电路模块图；
图2为本发明较佳实施例中快速充电方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1和图2，本发明较佳实施例中快速充电方法，用于适配器100给电子设备200的电池210充电，电子设备200可以是手机、平板电脑等移动终端，也可以是便携电脑或其他内置电池的电设备。充电时，适配器100与电子设备200通过USB线缆(cable)连接，适配器100与电子设备200设有USB连接器101、201，与线缆的端口匹配。适配器100包括电源控制器(MCU_A)102和电压变换电路103(AC_DC)；电子设备200包括应用处理器(MCU_B)202、第一充电电路203和第二充电电路204。应用处理器202、第一充电电路203和第二充电电路204构成Charge(充电)模块。
快速充电方法包括以下步骤：
步骤S110，识别适配器100是否为快速充电适配器。当适配器100与电子设备200连接后，电子设备200的应用处理器202开始对适配器100进行识别，识别过程包括BC1.2协议的识别和与快充适配器100的鉴定握手。
在一个实施例中，通过USB接口的D+、D-来进行判断，BC1.2协议规定了USB接口各种用途的D+、D-处理方式，普通适配器100通常是D+、D-短接。可以简单定义D+＝2.5V，D-＝0V为本方案快充适配器100的配置。这样应用处理器202就可以通过识别D+、D-状态来鉴定适配器100的类型。
步骤S120，若适配器100是快速充电适配器，则应用处理器202检测电池电压Vbat。应用处理器202通过检测端口VBAT_S获取电池电压Vbat。可以理解的是，若适配器100不是快速充电适配器100，则应用处理器202控制第二充电电路204对电池210进行常规稳压充电。第二充电电路204为Normal Switching Charger(常规开关型充电电路)。
步骤S130，根据电池电压Vbat和预设条件计算所需充电电压Vin。
具体地，根据预设充电电流I、充电回路内阻Ron及电池电压Vbat参数经过算法得到充电电压Vin。
具体地，满足：Vin≥(Vbat+Ron*I)。其中，Vin为充电电压，Vbat为电池电压，Ron为充电回路内阻，I为预设充电电流，且I小于等于电池的额定电流。其中，充电回路内阻包括电池内阻和电路阻抗，电路阻抗指的是电子设备200的连接器201到电池端口的充电回路的阻抗总和。
在一个实施方式中，应用处理器202计算得到充电电压Vin，判断是否需要升压，将升压信息反馈给适配器100，适配器100根据升压信息调整充电电压Vin。在另一个实施方式中，将充电电压Vin反馈给适配器100，适配器100根据当前的充电电压Vin来判断是否调整充电电压Vin。
步骤S140，在适配器100提供所需的充电电压Vin后，应用处理器202控制第一充电电路203对电池210进行快速充电；其中，快速充电过程中，应用处理器202实时检测电池电压Vbat，适配器100对输出电压进行实时调整进而调整充电电压Vin，使得充电电压Vin匹配电池电压Vbat和充电损耗电压(Ron*I)之和。其中，适配器100的输出电压经过USB线和USB接口等充电线路压降后到达充电电路的电压为充电电压Vin。
应用处理器202通过控制引脚CHG_C控制第一充电电路203开启快速充电；适配器100充电电压Vin进行实时调整，使得充电速度与充电效率达到一个最优的平衡点。充电电流决定了充电速度，而充电电流I≈(Vin-Vbat)/Ron，效率η＝Vbat/Vin；所以I增大，效率η就会减小。假设Ron＝10mR，I max＝3A，I max为电池的最大充电电流。适配器100以0.1V的步进调整输出电压，应用处理器202会实时监控Vbat的值，然后利用适配器100调整Vin的值，使得Vin-Vbat＝Ron*Imax～0.1V≈0.001*3V～0.1V＝0.03V～0.1V。则此时，充电速度达到最大的同时，效率也可以一直保持在1-(0.1/Vin)以上，即ηmin＝1-(0.1/Vin)。
具体地，实现方案如下：假设D+＝2.5V，D-＝0V用来表征本方案的快充适配器100。那应用处理器202需要调整充电电压Vin时，通过操作信号端口D+或D-产生对应电平或脉冲信号(相关信号)。电源控制器102检测线缆的D+、D-的变化，则可以调整电压变换电路103的输出电压以提供所需的充电电压Vin。
例如，快充适配器100默认输出5V。则可以设定，当USB接口的D+上出现一个0.1S的低脉冲(应用处理器202反馈的电信号)，代表充电电压Vin需升压0.1V，D-上出现一个0.1S的高脉冲，代表充电电压Vin需降压0.1V。本实施例中，每个脉冲信号最小间隔为0.1S。具体时间间隔没有特别的要求，只要能保证前后两次调整不存在重叠，不导致产生误判即可。
在更具体的实施例中，电池210为m串n并(mSnP)电池，其中，m大于等于2的整数，n大于等于1的整数。从上面可知，效率的最小值为ηmin＝1-(0.1/Vin)＝Vbat/(Vbat+0.1)，那么Vbat越大，效率越高。而m值决定了Vbat的大小。m＝2时，Vbat一般为6.0～8.7V。则采用mSnP电池，可以保证电池在以最大速度进行充电同时，其效率也能维持在98.3％以上。
在更具体的实施例中，应用处理器202对充电电压Vin进行实时调整包括：首先，在充电过程中，应用处理器202实时检测电池电压Vbat并反馈至适配器100的电源控制器102；如上述，通过操作信号端口D+或D-产生对应电平或脉冲信号的反馈信号。然后，电源控制器102根据反馈信号控制电压变换电路103调整输出电压，使所述充电电压满足Vin≥(Vbat+Ron*I)。
优选地，本实施例中，电压变换电路103的输出电压为5V～9V，且以0.1V为步进可调。
优选地，第一充电电路203为无电感的线性充电电路(Linear Charger)。1.采用Linear Charger实现快速充电，代替常规方案的Switching Charger。在效率与成本上都得到较大的优势。不需要电感等储能元件，使整个方案拥有较大的成本优势，更小的PCB空间要求，以及更好的EMI表现。
线性充电电路效率η计算公式为：
η＝(Vbat*IVbat)/(Vin*IVin)；其中IVbat＝IVin；则
η＝Vbat/Vin＝1-(Vin-Vbat)/Vin；
由于适配器100的输出电压为5V～9V以0.1V为步进可调，Vbat为6.0V～8.7V(以2SnP电池为例)，则系统可以根据电池电压Vbat实时调整电压Vin，使得Vin略大于Vbat，且(Vin-Vbat)max＝0.1V。假设Vin到Vbat的充电回路内阻为Ron＝10mR，则IVbat＝Iin_max＝3A时，(Vin-Vbat)＝0.03V＜0.1V。快充时，Vin_min＝Vbat_min+0.1V＝6.1V，则:
η(min)＝1-0.1/6.1＝98.3％
而传统的快速充电的Switching Charger(开关型充电电路)由于拓扑原理限制，其除了开关MOS上的导通阻抗造成的损耗(基本等同本方案的充电回路内阻的全部损耗)外，还有开关损耗，电感上的插入损耗，磁滞损耗，以及涡流损耗等，所以各厂商的高压充电芯片效率最高值一般在93％。
本方案采用的电池是由两串多并(2SnP)电芯与保护板组成，电池电压Vbat为6.0V～8.7V，是其他方案的两倍。所以相对常规5V充电，虽然充电电压Vin提高了，但是系统会保证(Vin-Vbat)≤0.1V，则充电效率，不受充电电压Vin提高的影响。线性充电电路(LinearCharger)的效率更高，发热更小。
快速充电的充电功率可以做的更大。例如，采用USB Type-C的常规模式时，电池采用2SnP，充电电流Imax＝3A，则Pmax＝Imax*Vbat_max＝3A*8.7V＝25.1W。如果是PD(PowerDelivery，电力传输)模式下，Vin_max＝20V，Imax＝5A。则可以采用4串多并(4SnP)的电池，此时Vbat_max＝4.35*4＝17.4V，则Pmax＝17.4V*5A＝87W，聚合物电芯单节的电压一般为3.0V～4.35V，4.35V是电芯满电电压。4SnP电池一般用在大电池容量的设备上，比如笔记本。
进一步地，快充适配器100：电源控制器102通过热敏电阻RT监测适配器100的温度，并进行温度保护，防止适配器100过热引发的危险。温度过高，达到设定值，则开始对输出电流I进行降额。比如默认最大3A输出，温度过高时降成最大2A输出。电流小了，温度就不会继续升高。
电源控制器102通过检测端口VOUT_S监测输出电压，防止电压变换电路103异常时输出异常电压损坏便携式设备。电压变换电路103自带过流保护与输出短路保护。电源控制器102通过D+、D-监测设备的连接情况，如果设备拔出，则输出恢复默认值5V。电源控制器102监测到输出电压Vin波动明显，或者输出电压Vin高于电子设备200所要求的电压，则强制关闭电压变换电路103，切断输出，进入保护模式。直到用户重新给适配器100上电才解除保护模式。
电子设备200通过应用处理器202与线性充电电路203的配合完成常规Charge IC拥有的过充保护，过流保护，电池过温保护等功能。适配器100中加入电源控制器102，完成协议通信并加强充电过程的保护。
具体地，应用处理器202或电源控制器102会监测电池电压Vbat，充电电流I，电池温度。发现任何一个值超过设定值，则关闭Charge模块，停止充电，进入相应的保护模式。过充与过温保护后，需要等电池电压Vbat，电池温度回到正常区间值才能解除保护。过流保护后，需要用户重新插拔usb线才解除保护。
上述快速充电方法和应用该方法的电子设备200，除了采用专用快充适配器100进行快速充电外，还兼容QC3.0的适配器100进行快速充电。因为采用2SnP电池时，本方案快速充电时的需求电压为6.0V～8.7V(调压步进为0.1V)，而QC3.0适配器100输出电压为3.6V～12V(调压步进为0.2V)，则QC3.0适配器100可以满足本方案快速充电时的需求。步进由0.1V变为0.2V，对充电速度无影响，充电效率η由原来的98.3％下降为η＝1-0.2/6.1＝96.7％。
另外，本方案兼容常规5V充电：一方面快充适配器100默认输出5V，可以给常规的USB设备进行供电。另一方面电子设备200中的还具有用于常规稳压充电的第二充电电路204，第二充电电路204通过boost型Charge IC将普通适配器100输出的5V电压，升压至电池210(6.0V～8.7V)所需电压值。兼容性强，用户体验好。
此外，还公开了一种电子设备200，包括电池、应用处理器202、第一充电电路203和第二充电电路204；应用处理器202用于识别适配器100是否为快速充电适配器100；若适配器100是快速充电适配器100，则应用处理器202检测电池电压；且根据电池电压和预设条件计算所需充电电压；适配器100提供充电电压，应用处理器202控制第一充电电路203对电池进行快速充电；其中，充电过程中，对所述电池电压进行实时检测，并实时调整所述充电电压，使得充电电压匹配电池电压和充电损耗电压之和。
第一充电电路203为无电感线性充电电路。
优选地，可以理解的是，若适配器100不是快速充电适配器100，则应用处理器202控制第二充电电路204对电池进行常规稳压充电。
优选地，电池为m串n并电池，其中，m为大于等于2的整数，n为大于等于1的整数。
根据电池电压和预设条件计算充电电压满足：Vin≥(Vbat+Ron*I)；其中，Vin为充电电压，Vbat为电池电压，Ron为充电回路内阻，I为预设充电电流，且I小于等于电池的额定电流。
优选地，适配器100包括电源控制器102和电压变换电路103，电压变换电路103所输出的电压为5V～9V，且以0.1V为步进可调。
对充电电压进行实时调整包括：在充电过程中，应用处理器202实时检测电池电压Vbat并反馈上调或下调信号至适配器100；电源控制器102根据相关信号控制电压变换电路103调整输出电压，使所述充电电压满足Vin≥(Vbat+Ron*I)。另外，也可以反馈电池电压Vbat至适配器100，电压变换电路103根据电池电压Vbat调整输出电压，使所述充电电压满足Vin≥(Vbat+Ron*I)。
上述的快速充电方法和电子设备在快速充电过程中，实时检测电池电压，对所述充电电压进行实时调整，使得所述充电电压匹配电池电压和充电损耗电压之和，从而使得充电速度与充电效率达到一个最优的平衡点。此时，充电速度达到最大的同时，可以保证较高的充电效率。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (16)
1.一种快速充电方法，用于适配器给电子设备的电池充电，所述适配器与所述电子设备连接，其特征在于，所述电子设备包括应用处理器、第一充电电路和第二充电电路；所述充电方法包括以下步骤：
识别所述适配器是否为快速充电适配器；
若所述适配器是快速充电适配器，则所述应用处理器检测电池电压；
根据所述电池电压和预设条件计算所需充电电压；
所述适配器提供所述充电电压，所述应用处理器控制所述第一充电电路对所述电池进行快速充电；
其中，快速充电过程中，对所述电池电压进行实时检测，并实时调整所述充电电压，使得所述充电电压匹配电池电压和充电损耗电压之和。
2.如权利要求1所述的快速充电方法，其特征在于，还包括：
若所述适配器不是快速充电适配器，则所述应用处理器控制所述第二充电电路对电池进行常规稳压充电。
3.如权利要求1所述的快速充电方法，其特征在于，所述电池为m串n并电池，其中，m为大于等于2的整数，n为大于等于1的整数。
4.如权利要求1所述的快速充电方法，其特征在于，所述根据所述电池电压和预设条件计算所述充电电压具体为：
根据所述电池电压、充电回路内阻及预设充电电流计算所述充电电压，满足：Vin≥(Vbat+Ron*I)；
其中，Vin为充电电压，Vbat为电池电压，Ron为充电回路内阻，I为预设充电电流，且I小于等于所述电池的额定电流。
5.如权利要求1或4所述的快速充电方法，其特征在于，所述适配器包括电源控制器和电压变换电路；
对所述电池电压进行实时检测，并实时调整所述充电电压包括：
在充电过程中，所述应用处理器实时检测所述电池电压并反馈相关信号至所述适配器；
所述电源控制器根据所述相关信号控制所述电压变换电路调整输出电压，使所述充电电压满足Vin≥(Vbat+Ron*I)。
6.如权利要求5所述的快速充电方法，其特征在于，所述电压变换电路所输出电压以0.1V为步进可调。
7.如权利要求1所述的快速充电方法，其特征在于，所述第一充电电路为无电感线性充电电路。
8.如权利要求1所述的快速充电方法，其特征在于，还包括对充电电压、充电电流及电池温度进行监测，当任何一个超过设定值时，停止充电。
9.一种电子设备，其特征在于，包括电池、应用处理器、第一充电电路和第二充电电路；所述应用处理器用于识别所述适配器是否为快速充电适配器；若所述适配器是快速充电适配器，则所述应用处理器检测电池电压；且根据所述电池电压和预设条件计算所需充电电压；在所述适配器提供所述充电电压，所述应用处理器控制所述第一充电电路对所述电池进行快速充电；
其中，快速充电过程中，对所述电池电压进行实时检测，并实时调整所述充电电压，使得所述充电电压匹配电池电压和充电损耗电压之和。
10.如权利要求9所述的电子设备，其特征在于，还包括：
若所述适配器不是快速充电适配器，则所述应用处理器控制所述第二充电电路对电池进行常规稳压充电。
11.如权利要求9所述的电子设备，其特征在于，所述电池为m串n并电池，其中，m为大于等于2的整数，n为大于等于1的整数。
12.如权利要求9所述的电子设备，其特征在于，所述根据所述电池电压和预设条件计算所述充电电压满足：Vin≥(Vbat+Ron*I)；
其中，Vin为充电电压，Vbat为电池电压，Ron为充电回路内阻，I为预设充电电流，且I小于等于所述电池的额定电流。
13.如权利要求9或12所述的电子设备，其特征在于，所述适配器包括电源控制器和电压变换电路；
在充电过程中，所述应用处理器实时检测所述电池电压并反馈相关信号至所述适配器；
所述电源控制器根据所述相关信号控制所述电压变换电路调整输出电压，使所述充电电压满足Vin≥(Vbat+Ron*I)。
14.如权利要求13所述的电子设备，其特征在于，所述电压变换电路所输出电压以0.1V为步进可调。
15.如权利要求9所述的电子设备，其特征在于，所述第一充电电路为无电感线性充电电路。
16.如权利要求9所述的电子设备，其特征在于，所述应用处理器还用于对充电电压、充电电流及电池温度进行监测，当任何一个超过设定值时，停止充电。
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