解析手机充电管理设计关键及主流方案

　　虽然目前市面上的手机品牌众多，但其充电回路大致相同，都采用基于PMOS的充电电路。使用PMOS时易于以较低电压控制其开关，而手机主板上电压多为3V左右，因此能轻松实现开关控制。金属氧化物半导体场效应（MOS）晶体管可分为N沟道与P沟道两大类， P沟道硅MOS场效应晶体管在N型硅衬底上有两个P+区，分别叫做源极和漏极，两极之间不通导，源极上加有足够的正电压（栅极接地）时，栅极下的N型硅表面呈现P型反型层，成为连接源极和漏极的沟道。改变栅压可以改变沟道中的电子密度，从而改变沟道的电阻。这种MOS场效应晶体管称为P沟道增强型场效应晶体管。如果N型硅衬底表面不加栅压就已存在P型反型层沟道，加上适当的偏压，可使沟道的电阻增大或减小。这样的MOS场效应晶体管称为P沟道耗尽型场效应晶体管。统称为PMOS晶体管。P沟道MOS晶体管的空穴迁移率低，因而在MOS晶体管的几何尺寸和工作电压相等的情况下，PMOS晶体管的跨导小于N沟道MOS晶体管。此外，P沟道MOS晶体管阈值电压的一般偏高，要求有较高的工作电压。它的供电电源的电压大小和极性，与双极型晶体管——晶体管逻辑电路不兼容。PMOS因逻辑摆幅大，充电放电过程长，加之器件跨导小，所以工作速度更低，在NMOS电路（见N沟道金属—氧化物—半导体集成电路）出现之后，多数已为NMOS电路所取代。只是，因PMOS电路工艺简单，价格便宜，有些中规模和小规模数字控制电路仍采用PMOS电路技术。

　　常见的手机充电电路可分为如下三种：

　　1、 PMOS+肖特基二极管：MTK和展讯平台采用此种方式。PMOS控制充电的开关和充电电流的大小，肖特基二极管防止电池通过PMOS的内部寄生二极管倒灌电流，且正向导通时其正向压降相对普通二极管要小。

　　推荐产品：BF9024SPD-M（8Pin）、BF9024SPD-MS（6Pin）：主要参数请参考表一。

　　表一。BF9024SPD系列主要参数

　　图一。 PMOS+二极管

　　图二。 分离PMOS和二极管

　　虽然目前市面上的手机品牌众多，但其充电回路大致相同，都采用基于PMOS的充电电路。使用PMOS时易于以较低电压控制其开关，而手机主板上电压多为3V左右，因此能轻松实现开关控制。

　　BF9024SPD-M（8Pin）、BF9024SPD-MS（6Pin）是针对此应用的功率器件，如图一。为减少长时间充电时MOS发热，比亚迪微电子在封装上将其底部散热片外露，以便更好散热。不要小瞧此散热片，它不仅能提高充电时散热效率，有助于提高产品可靠性，而且能使电池充电更充分。因为MOS内阻是正温度系数，即温度越高时，其内阻越大，在50℃时，温度每上升10℃，其内阻会上升约5%，有此散热片可加速器件散热，使其内阻上升控制在3%以下，在充电时可使电池充电电压比同类产品高出约50mV。

　　我们记录了BF9024SPD-M在MTK6223平台上应用时，电池电压从2.8V充至稳定的4.185V时的2000多个数据，从约60mA的预充电电流到恒流充电的550mA电流，再到充满时约50mA的脉冲电流的整个过程中，监控的电池电压终稳定在4.185~4.195之间，请参考图三；当用USB端口充电时，满充时电池电压稳定在4.188V，请参考图四。整个充电过程中，电池满充电压一致性非常好，且整个充电曲线一致性也非常好。

　　图三。 BF9024SPD-M应用于MTK6223平台充电曲线—适配器充电

　　图四。 BF9024SPD-M应用于MTK6223平台充电曲线—USB端口充电

　　由于BF9024SPD-M与BF9024SPD-MS底部散热片与PMOS的漏极（D极）、肖特基二极管的负极（K极）相连，在设计时不能作为GND或与其它信号线相连。请参考下图五、六。

　　此两产品已被展讯平台，您可参考展讯的原始参考设计BOM。

　　图五。 BF9024SPD-M Layout参考

　　图六。 BF9024SPD-MS Layout参考

　　在低成本应用中，可使用分离的MOS管和肖特基二极管来代替集成器件，如图二。BF92301P的小封装能满足您此类设计需求，其主要参数请参考表二。

　　2、 PMOS+ PMOS：TI和部分MTK平台、双电池平台中采用这种方式。此种应用是PMOS+肖特基二极管应用的改良。在PMOS+肖特基二极管应用的充电回路中，肖特基二极管因持续导通会占用0.4V以上的压降，而将肖特基二极管换为PMOS管后，因MOS的导通内阻非常小，压降可大幅降低，从而保证USB端口或外接5V基准电压在经充电回路损耗后仍能有足够高于单节锂电充电所需电压。mos管是金属（metal）—氧化物（oxid）—半导体（semiconductor）场效应晶体管，或者称是金属—绝缘体（insulator）—半导体。MOS管的source和drain是可以对调的，他们都是在P型backgate中形成的N型区。在多数情况下，这个两个区是一样的，即使两端对调也不会影响器件的性能。这样的器件被认为是对称的。

　　推荐产品：BF9024DPD-MS，主要参数，请参考表二。

　　随着手机主板越来越小，手机功能越来越多，人们希望手机或数码产品充电后能使用更长的时间。在此需求下，衍生出了双电池的应用。双PMOS在双电池的应用中能很好的利用其极低的导通压降和电流单流向易控性来实现。

　　3、 PNP管+PMOS：Qualcomm平台几乎都是采用这种方式。PNP管用于控制充电的开关和充电电流的大小，PMOS则作为开关元件实现充电回路的连通和切断。

　　推荐产品：BF92301P，主要参数，请参考表二。

　　表二。 BF92301P和BF9024DPD-MS主要参数

　　在各平台供应商产品不断更新下，手机充电管理应用中，PMOS+肖特基二极管的外部电路始终是简洁、可靠的选择之一。从展讯的6600L到6600L6、6600L7、6610K，一直采用此方式作为充电设计。至于联发科目前极力推广的新平台MTK6253，除其本身含有的电源管理部分外，在其外部电路中将过压保护（OVP）、恒流等功能集中在一起，形成二次保护。

　　本文小结

　　常见充电电路中，PMOS是应用中关键器件，其品质、性能直接影响充电发热量及充电时间长短。比亚迪微电子的MOS产品，经历多年市场的锤炼，无论产品品质、价格、交期及产品技术支持，都得到良好提升。