移动电源方案
小米移动电源技术方案深度剖析
原创作者:"深圳致尚微电子"工程/销售经理-管育明,
小米移动电源自面市以来，以低廉的价格、良好的做工以及品牌效应受到市场的追捧。但在火热的表象下却需要一些冷静的思考。这里假设大家对小米稍微有些认识，不讨论非技术性问题，如外观等。下面是小米电源板的正反面照片：
先看下小米的方案： BQ24195充放电集成芯片
小米希望减小面积，所以选择了充放电集成的方案。同时小米认为TI的芯片会带来更好的效率和可靠性。但实际上TI的芯片显然不适合移动电源使用。暂不说2.8美金的售价。该芯片主要特征：1、采用高压工艺;2、内部集成了4颗MOS，其中一颗用于路径管理，支持同时充放电，一颗用于检测充电电流，剩下2颗N管组成双N结构;3、1.5MHz开关频率这是为了使用小尺寸电感，因此电感DCR也小，在大电流输出时效率会更好;4、其中采用QFN24封装尺寸小，但外围还需要搭配很多器件。 电池充电电压精度20mV这个指标很一般。优秀的指标是2mV;5、2A充放电效率在88%以上，但实际上移动电源设计中需要外加电感、电流检测电阻、锂电保护等，所以整体效率在3.3V转5V时仅有81%。2.4A时发热达到100度，达到芯片极限。优秀的芯片可以保证3V转5V在2A时有90%以上的效率，温度在50度以内;6、带I2C接口调节各种阈值，但精度不够。对这样的芯片方案会发现以下几个问题：1、 无法做输出短路保护，是个严重的问题。外部短路保护性能必然不如芯片内部保护。这是保险公司需要考虑的问题。2、 无法实现电量检测，需要外部电路。总之，TI的该款芯片不是移动电源最合适的芯片。3、 ABOV单片机的选择很多，无非是速度、字长、指令集、存储空间、外部资源等的区别。移动电源中，单片机主要做状态控制、显示、按键响应、电流电压检测、空载检测、过温保护等等。但注意的是单片机绝对不能做电源反馈环路控制。在这点上小米有清醒的认识。但国内诸多移动电源的小公司仍然在铤而走险为降低成本采用所谓的MCU多合一方案。这里只需要说明一点，但由于设计欠考虑，在早期的小米移动电源中发生了无法检测输出空载的情况，在后面会谈到。这都是因为单片机的ADC实际上是无法执行微小电压检测的，失调电压高达几毫伏。
4、 空载检测 10mOhm sense电阻做放电电流采样。但这个电阻后来在13年10月底紧急又改为100mOhm。小米的空载检测和其他公司不太一样。100mOhm电阻并没有串联在输出通路，而只流过几百毫安的电流，损耗100mW。空载检测是行业难题。检测电阻一般在50mOhm，4A电流下会产生800mW损耗，成为损耗的大户。而且空载检测的精度也只能做到50mA，也就是2.5mV。目前业界最好的水平是10mOhm检测电阻，检测30mA电流。5、 手机智能识别
小米移动电源10400mAh采用TI的tps2514芯片，很多人误以为这是颗MOS，实际是用于手机智能识别的小芯片。目前移动电源大多数不能智能识别手机类型，只是固定地将D D-短接或接到2V和2.7V。
6、 过温保护
过温保护是很多厂家为省成本省掉的。小米算是比较有良心的公司。移动电源虽然便宜，但揣在身上是个祸害啊。任何的保护都不为过。
7、 采用了4颗6mOhm的MOS
小米10400mAh移动电源采用了1颗锂电保护芯片、2颗MOS和一个10mOhm熔丝做保护。标准的电池保护方式。这也是因为小米选用的TI芯片不能做完善的电池保护所致。优秀的芯片是可以对电池进行全方位防护的，甚至不需要再另加电池保护。9、 LG电芯小米采用的是传统的锂电池电芯，而非更好的聚合物电芯。当然是成本的考虑。他们也是需要在成本和用户体验上权衡的。毕竟LG愿意贴给小米。10、 铝外壳小米是个懂得营销的公司。时尚不时尚，长得时尚最重要。当然散热也绝对是一个重要的考虑。11、 4颗LED灯显示电量
小米10400mAh移动电源的电量显示确实不上档次。这和成本预算应该有关系。另外想把板子做小，加个液晶屏也不合适。但四颗LED灯确实又不符合小米想体现的科技感。面积、成本和用户体验是个艰难的平衡过程。真正致命的不是寒碜的问题，小米对于电量检测采用的是最简单的电池电压检测。如果瞬间插入适配器或手机可能会导致灯来回跳。目前小米产品的显示方式还在改进。
12、散热片
没有这块小小的散热片，产品会非常烫。即使如此，小米也只敢让电池工作到3.3V就停止放电。要知道再进一步下降到3V甚至2.8V时，小米和保险公司都会不自信。那其他移动电源公司就更不用讲了。
13、0402电阻
手机电阻用在移上就是为了让板子看起来小。实际上小米采用的元件颗数并不少，差点就摆不下去了。优秀的方案只需要10几个元件。总结：小米10400mAh移动电源显然想用TI的芯片、LG的电芯、Abov的MCU告诉用户这是个很好的产品，并使用手机用的电阻等方式刻意做小PCB面积，树立高大上的形象。然而这显然不是最好的方案，无论从性能、元件个数或PCB面积，很多细节还没有处理很好。下面列举我们发现的一些问题，实际很多问题是选择芯片方案所带来的。下面列举几个大家使用过小米10400mAh移动电源后的反馈，主要总结一些和技术相关的反馈：1、空载检测问题：手机充满电后，移动电源没有待机，还在一直放电的状态。后来发现将10mOhm电阻换成100mOhm电阻。这涉及到空载检测的问题，前面有分析。2、小米10400mAh移动电源不能同时充放电：移动电源同时插适配器和苹果手机，手机显示不能充电。这个涉及到同时充放的负面问题。同时充放电时，输入和输出直接连接，当适配器电流能力不能支持后面充电手机时就会拉死掉适配器。这是很危险的事情。实际上这时手机原本可以检查移动电源D D-端口来判断充电能力的，现在一旦和输入连接，由适配器直接连接到手机充电，就无法知道适配器的带载能力。最好的方式是不要同时充放电，先由电池给手机充满，然后再用适配器给电池充满。3、效率问题：实际放电6893.9mAh。效率为6893.9mAh/10400mAh=66.3%这不只是TI芯片及板上损耗的问题，还有电池欠压阈值过低的问题。小米在电池电压低于3.3V时就不再工作，可能出于防止过热的考虑，也可能希望移动电源不工作在预充电阶段，节约充电时间。优秀的移动电源可以放出接近8000mAh。另外目前关于移动电源效率的计算五花八门。本质原因是效率很低，不敢给消费者看。其实消费者最关心的就是能充多少次手机。这里的公式是最客观的。4、电量显示精度问题，插手机时电量显示灯会变。电量显示问题是一个行业问题。很多时候厂家都是通过“欺骗”消费者眼睛的方式回避了电量测试不准的问题。电量显示一般可以由电流积分或电压来判定。但每个电池电量和电压关系都不同。电池内阻会导致电池电流变化时检测到的电压会突变，造成指示灯来回跳。这就像开电动车的瞬间电量会突然掉下去一样，是个电量计量的假象。目前电量检测一般在30%精度，优秀的方案可以做到1%。5、 3.25V就不能对外输出电流。没有电池内阻补偿计算电池电压，所以2A时在3.3V就不对外输出了。这样充手机的次数非常有限。这属于严重问题。小米可能有如下几个考虑：低电池电压时TI芯片发热过大;低电池电压时要经过预充电阶段，充电时间长。6、充满电的时间比理论时间长。这是普遍问题。小米直接避过预充电阶段进入快速充电阶段。但仍然无法避免恒压充电阶段。目前业界最先进的方式是最大限度省掉恒压充电时间，尽量恒流充电到底。7、散热问题：工作温度3.3V可以支持2A充电，芯片表面温度65度，内部温度可能在80度，如果没有加散热片，热量是可想而知的。如果带2.4A负载，温度高达100度。很多公司其实无法做到3V转5V全部实现2A充电。目前优秀的芯片可以做到3V转5V达到2.4A电流，温度在60度。8、只有一个输出口，没办法同时给手机和平板充电。9、除充放电外，只有手电功能。10、没有用聚合物电芯，比较重。整体来说，小米的方案从技术上没有太多新意，指标平庸，但可靠性和商业上考虑比较多。移动电源看似一个配件，但电源本身是极其复杂的一门学问，需要沉下心来细细思考和优化。中国电子工业需要升级，而不能再走低质低价的老路。目前市面上方案非常多，但确实都多少有问题，没有行业公认比较好的解决方案。显然，小米要走的路还很长。
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