摘 要：提出了一种应用在LTE手机中的充电技术，克服了传统手机充电方法的不足。新技术可以最大限度地延长充电电池的寿命，保证在规定时间内将电池完全充满；可以精确测算出每次实际充入电池的电量，并可据此判定电池品质下降程度及剩余使用期限。新技术实现了传统手机充电方法不能实现的新功能：在手机电池电压过低情况下，只要插入外部充电器即可打电话,甚至无需装载电池。经验证本创新性能可靠，且易于实现，有推广应用价值。
关键词：锂电池；移动电话；涓流充电；恒流充电；恒压充电
LTE手机在获得国家批准运营后，经过两年的商用，新增了许多功能，除了GSM的基本功能外，还包括视频通话、高速数据传输、手机电视功能[1]等。其中任何一项功能如需长时间服务，在没有电源适配器的情况下，除了要有高性能的电池，对充电技术也提出了更高的要求。
传统手机充电实现方法存在缺陷。使用传统方法对电池充电会缩短充电电池寿命，且往往不能将电池完全充满，从而影响手机待机/通话时间；使用传统方法给手机电池充电的同时使用手机（如玩游戏、打电话等），充电时间明显延长；传统方法不能准确测算每次实际充入电池的电量，而只能给出估计量。本文采用一种新的手机充电技术，克服传统手机充电方法的不足。新技术不仅可以最大限度地延长充电电池的寿命，还能保证在规定时间内将电池完全充满；即使边充电边使用手机，也不会延长充电时间；可以精确测算出每次实际充入电池的电量，并可据此判定电池品质下降程度及剩余使用期限。另外，新方法还实现了传统手机充电方法不能实现的新功能，例如在手机电池电压过低的情况下，只要插入外部充电器即可打电话（无需等待手机电池充至一定电压）,甚至手机无需装载电池,只要插入外部充电器就可打电话。
1 传统手机充电技术缺陷分析
完整的手机充电电路包括两部分[2]，一部分集成在手机主板内部，另一部分包含在手机配带的外部充电器上。当对手机里的电池充电时，外部充电器所提供的功能相对比较简单，即向手机内部充电电路提供充电电流，而手机内部充电硬件电路及相应软件才真正实现了电池充电的复杂过程。
传统手机充电电路原理如图1所示。
传统手机充电方法存在很多缺点，给用户带来诸多不便，总结如下：
(1)缩短充电电池寿命。主要表现在以下两方面：
①充电电池的使用寿命是由电池最少充电周期数决定的，一个充电周期意味着电池的所有电量由满用到空，再由空充到满的过程。在使用传统方法对手机内电池充电时，电池同时给系统工作提供电源，因而电池往往处于一会儿充电一会儿放电的波动状态。由于这种时充时放的过程占用电池的充电周期数，所以用户真正能使用的总充电周期数变少了，也即电池寿命缩短。
②锂电池在使用一段时间后，其电容量将有所下降，当电容量下降一定幅度后，使用传统方法将无法给此电池充电，具体过程如下：
当此锂电池用完电(电压低于开机电压)后，插入充电器，首先启动涓流充电（常为几十毫安），当电池电压刚充至开机电压时系统立即开机，但这时由于系统工作所耗电流远大于充电电路提供的涓流[3]充电电流，其差额部分电流由电池提供，由于电容量下降，此锂电池已不能在开机电压处提供足够电流，所以电池电压立即降至关机电压，系统关机。然后充电电路继续给此锂电池涓流充电，并无限重复此过程。最终电池永远无法充满，系统也永远不能开机。
由此可见，虽然此锂电池使用寿命可能并未结束，但如果采用传统手机充电方法，此锂电池已不能继续使用，也就是说，锂电池的使用期提前终止。
(2)通常不能将电池完全充满
锂电池充电会经历3个过程：涓流充电、恒流充电和恒压充电。给电池电压低于开机电压的锂电池充电时首先进行涓流充电，为了保护锂电池，涓流充电电流一般比较小(常为几十毫安)。第二个阶段为恒流充电，恒流充电电流很大(常为0.25~1 C5A，C5A为电池电容量)。当锂电池电压接近截止电压(常为4.2 V)时充电进入第3个阶段，即恒压充电。恒压充电电流会逐渐变小，当其降至0.01 C5A时，认为锂电池已充满[4]。根据前文知，传统方法不能准确计算出实际充入锂电池的电流I3(t)，而用其估计值I3(t)代替，而实际充电电流估计值I3(t)取决于手机系统工作所耗电流的估计值I2(t)。由于实际工作时手机系统工作所耗电流是瞬变的，因而难以准确确定其估计值I2(t)。
(3)边充电边使用手机时，充电时间明显延长
采用传统方法充电时,由于手机系统消耗电流I2(t)来源于I1(t)，会减少实际充入电池的电流，因而手机充电时间会大大延长。
(4)不能准确测算实际充入电池的电量
使用传统方法充电时，CPU只能准确测得I1(t)，而无法准确得到系统工作消耗电流I2(t)，因而不能准确得到实际充入电池的电流I3(t)，所以传统方法不可能准确测得每次实际充入电池的电量，而只能给出其粗略的参考值。
2 LTE手机充电技术原理分析
LTE手机所用充电技术对传统充电技术进行了改进，新技术设计思想是：将充电时手机系统消耗电流和充电电流分离，从而准确控制电池充电过程和最佳保护电池。
改进后充电技术硬件电路原理如图3所示，其中左侧虚线框以内部分为新技术较传统技术增加的电路，包括D2、D3、MSF1、U1和C3。其中D2、D3是压降为0.3 V的锗二极管，MSF1是P通道增强型且导通电阻很小（通常小于50 mΩ）的MOSFET，U1是LDO，能在5 V输入条件下输出4.2 V~4.5 V电源(其输出电流能力视系统工作消耗电流而定)，C3是容值较大的电容。
当手机不在充电状态时，VCHG为0 V，MOSFET的栅极被拉至0 V，所以MOSFET立即导通,由电池为手机系统工作提供电流，此时二极管D3会防止电池输出的电流通过LDO漏电。
当充电器插入手机开始充电时，VCHG变为5 V，MOSFET的栅极被拉至5 V，所以MOSFET立即关闭，此时由VCHG为手机系统工作提供电流。二极管D2会防止充电器频繁插拔时导致手机系统瞬间掉电。
新技术软件流程与传统技术软件流程基本一样，只是计算实际充电电流的方法不同。传统技术需计算I1(t)-I2(t)(见图1)，并将其结果作为实际充电电流，而新技术直接将测得的ICHG(t)(见图3)作为实际充电电流，ICHG(t)由式(4)计算得到：
可见新技术软件流程较传统技术更简单、更易实现。
3 LTE手机充电技术评价
相比较传统技术，新技术有以下优点：
(1)最大限度延长充电电池的寿命。新技术中，充电过程中手机系统工作耗电由外部充电器提供，而非由电池直接提供。因而在充电过程中电池总是处于充电态，不像传统方法使电池总是处于时充时放态[5]，所以节省了充电周期数，延长了电池寿命。另外，当电池使用一段时间后电容量有很大幅度下降时，新技术仍然能给电池充满电并保证用户能够继续使用，因而新技术能最大限度地延长电池使用寿命。
(2)一定能在规定时间内将电池完全充满。新技术中，软件可以精确测得实际充入电池的电流，因而可以准确控制充电电路在规定时间内使电池完全充满。
(3)任何条件下充电时间都不会延长。新技术充电电流不受其他因素影响，所以即使边充电边使用手机，充电时间也不会延长。
(4)可精确测算出每次实际充入电池的电量。新技术可以准确测得实际充电电流，再根据充电时间，便可精确计算得到实际充入电池的电量。如果将电池充满后的电量与出厂值比较，便能得到当前电池电容量下降程度，也可以据此判定电池的剩余使用期限。
(5)在手机电池没电、甚至手机未装电池条件下均可做到即插即用。即使手机电池电压过低(低于开机电压)，只要插入外部充电器即可打电话（无需等待手机电池充至一定电压），甚至手机无需装载电池,只要插入外部充电器就可打电话。这也是新技术所特有的功能。
(6)新技术软件更简单、更易实现。由于新技术更容易测算实际充入电池的电流，因而软件更简单。
表1表示是LTE手机用新充电技术与传统充电技术测出的数据。
本文所述改进后的手机充电技术实现简单，并且功能完善，克服了传统手机充电技术的诸多缺陷。应用新技术，不仅每次充电时间不会延长，并可实际测算每次充入电池的电量。在手机电池没电，甚至手机未装电池条件下均可做到即插即用。最重要的是，新技术最大限度地延长了电池的使用寿命。在实际的LTE手机中应用，其性能完全优于传统的手机充电技术。因为新技术是修改内部充电电路来实现性能优化，其电源接口和手机适配接口[6]均无改动，所以不会违反国家所制定的手机充电器接口标准。
参考文献
[1] KABAL P，RAMACHANDRAN R P.The computation of line spectral frequencies using Chebyshev polynomials[J]. IEEE Trans.on ASSP，1986，34(6)：1419-1426.
[2] DELLERJR J R，PROAKIS J G，HANSEN J H L.Discrete time processing of speech signals[M].New York：Macmillan Publishing Company，1993.
[3] Khy V ijeh.Charge techniques for portable applications[R]. Application Engineer with Portable Power Systems Group at National Semiconductor Corp，USA，2001.
[4] 苏金然，秦兴才.GB/T 18287-2000.蜂窝电话用锂离子电池总规范[S].国家质量技术监督局，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] 张惠，冯英.电源大全[M].成都：西南交通大学出版社，1993.