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手机半压电荷泵变换原理

2025年9月23日

最早期的手机采用线性充电电路,尔后随着手机电池容量的不断增加,充电功率也快速提升,所以线性充电电路逐渐被buck充电电路取代。但当前随着大容量电池的发展,buck充电也看到了瓶颈,因为效率的原因,限制了充电的瓦数。

当充电技术来到电荷泵时代,才真正意义上实现了快充,当前业界已经把充电功率卷到了300W,5分钟可把手机充满。当然,充电是一个系统性的工程,除了电荷泵技术,氮化镓充电器,超高倍率的电芯,以及散热技术也起到了关键作用。

业界最早的电荷泵是2:1电荷泵,18年初魅族就量产了电荷泵充电方案,在此简单介绍下2:1电荷泵技术。

半压变换拓扑

当前电荷泵按照架构可分为2:1(4:2)、3:1(6:2)、4:1架构,但最基础的是2:1架构。下图为2:1电荷泵的变换示意图,核心是串并转换,分为两个步骤,即PHASE1(串)和PHASE2(并)。

最底层的原理是基于电容电压不能突变,然后使用开关管实现串并转换。

PHASE1:Q1和Q3导通,其他关断,VBAT和Vcfly串联,Vin = Vcfly + Vbat;

PHASE2:Q2和Q4导通,其他关断,Cfly和VBAT并联,电压变得相等,Vcfly = Vbat。

上面两个式子联立可得:Vin = 2 * VBAT,即2:1电荷泵实现了输入到输出的半压变换。

电荷泵参与充电的周期

虽然能力很强,但电荷泵并非全程参与充电。如下图,电荷泵在CC/CV大电流充电时刻发力,在小电流充电阶段属于闭目养神的状态。

需要在此说明的是,看似是杀鸡不用牛刀,其实是电荷泵也有缺点。一是开环的结构;二是有最小工作电流限制。这些原因也决定了Buck charger仍然居于历史舞台,和电荷泵协同完成充电工作。

在电池的涓流充电和预充过程中,充电由buck充电IC控制。当电池电压达到3.5V时,手机向充电器申请电压,使能ba25970电荷泵充电,通过微调VBUS的方式调节充电电流。

在CC阶段,会根据电池需要向充电器提供增加/减少电流的信息(如果存在超过电池电压的现象,则立刻禁用输出)。一旦达到CV点,bq25970将向适配器提供反馈以减小电流,直到buck charger再次接管。

可见电荷泵充电也存在闭环反馈,只不过是软件闭环(与适配器以通信的方式调节电压),非硬件闭环,软件闭环的速度远远慢于硬件闭环。

流程图

下面的流程图详细展现了充电算法控制过程。

 

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最后更新:2026年1月7日


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夜枭

夜枭,暗夜里的精灵,雅典娜在凡间的使者,不瞩目于明亮的日光,在意的是万物的启迪。

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