标签: 手机耗电，待机时间，电池，充电器

                终于到了该结束这个“手机耗电性能三件套”系列的时候了。 一切就像是规划好的一样，就在上周五, 我们在 EEClub 举行了一次名为“ 手机耗电的测量、分析到优化——三件套的思考”的技术沙龙,与国内几家著名手机公司的研发及测试 高级工程师进行面对面的沟通和交流，似乎在给“三件套”系列的探讨做个总结汇报。 特别感谢 EETime 和 eeClub 主持人 Emma ，是她给我们提供了这样的平台，让我们可以面对面的沟通和交流。也感谢各位现场参加交流的工程师，通过与你们的交流，碰撞出更多如何进行手机耗电及续航时间的改善及优化的想法和建议。eeClub还将现场进行了实时录制，并提供在 eeClub 的网站上，给没有机会到现场的工程师再现沙龙现场，以下就是现场视频的链接： http://www.eet-china.com/STATIC/SITE/tech_seminar.html 最后，为了让大家跟清晰的了解所有内容，我再给大家介绍一下本系列博客的主题思想和组织结构！ 手机续航时间是当前及未来很长一段时间制约 智能手机 发展的重要因素，而且现在也出现一种新的现象，越来越多的高端商务人士 在使用功能强大的智能手机的同时，手边还放在一个功能手机！ ——这一现象就是智能手机续航时间对用户困扰的突出体现。 当然，手机续航时间也是一个复杂和系统性问题，涉及到硬件，软件，网络，用户习惯等诸多方面的因素， 作为手机设计开发的工程师，我们可以通过优化软、硬件耗电，优化资源配置，分析用户使用习惯并按照用户习惯优化手机参数，最终改善手机续航时间问题。 所以，要优化及改善手机续航时间就必须了解和精确的评估包括手机各种工作运行状态下的耗电性能，锂电池性能及充电管理对电池性能的影响。             “三件套”系列文章就是从手机、电池、充电器及充电管理系统角度出发，探讨优化和改善手机续航能力的方法和方案。在组织上只要有着四个部分： 一） 从使用习惯上如何优化续航时间——如何提高手机的待机时长 （1）    走进 3G 大屏幕时代： http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3011926.HTM （2）    小试一招，即见效： http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3011928.HTM （3）    挑 地方 打电话： http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3011941.HTM （4）    即用即启： http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3011944.HTM （5）    摆脱手机焦虑症： http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3011989.HTM （6）    边充电，边打电话的危害： http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3012022.HTM   二） 手机发展趋势及耗电特性——手机三件套之手机篇 （1）    什么是手机“三件套”： http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3012116.HTM （2）    手机发展趋势和耗电特性： http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3012254.HTM （3）    微信的“心跳”： http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3012383.HTM （4）    安捷伦 N6705B 助力手机耗电分析： http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3012501.HTM （5）    应用软件在手机上的耗电能测量吗？： http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3012697.HTM   三） 锂电池特性及测评参数和方法——手机三件套之电池篇 （1）    初识锂电池： http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3012582.HTM （2）    如何全面评估电池性能： http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3012732.HTM （3）    自带电压、电流充放电曲线功能的电源测量电池容量： http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3012821.HTM （4）    您的电池容量准确吗？： http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3012945.HTM （5）    如何校准手机的电池电量显示准确性？： http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3013129.HTM （6）    电源也能测试电池的交流内阻？： http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3013253.HTM （7）    锂电池保护电路板的测试变得如此简单？： http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3013337.HTM   四） 充电管理及充电性能评估——手机三件套之充电篇 （1）    从充电器混用 谈到 标准的统一？： http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3013590.HTM （2）    谁是手机充电管理的指挥官？： http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3013771.HTM （3）    快速评估手机是否合格的充电管理指挥官？： http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3013874.HTM   最后、非常感谢大家该系列博客的关注！当然，由于受到个人理解能力的限制，当中可能存在理解不完整甚至错误的地方，本人也非常欢迎各位专家指出和指导！      在今后，我会尽力整理更多更有价值的文章与大家一起分享，也希望得到大家一如既往的关注和支持，谢谢！（鞠躬！！！）

上一篇博文和大家一起讨论了 手机电池的充电过程是由 谁 进行控制的，想必大家都应该清楚 手机才是 充电过程的 “指挥官”。那我们如何判断这个“指挥官”是否合格呢？ 正常情况下，为了判定手机充电管理是否合格，和测试电池容量一样，必须测量一个或多个完整的充电过程。可以使用在博文“您的电池容量准确吗？”中提到的以下框图进行测试： 通过这种方法，你可以测量出： 1.        恒流充电的电流大小以及稳定性； 2.        恒流 / 恒压切换电的电压，图中电流开始逐渐减小的点； 3.        充电终止时的电压及电流； 4.        恒流充电时间以及恒压充电时间长度，时间是否合理？ 5.        同时得到电池的容量； 这种测试方法最大的不足就是一个电池的充电周期通常需要 1 个或者多个小时才能完成，而一般的研发工程师在做产品调试时估计非常难以忍受的等待这么长的时间。如果是研发前期进行充电器或电池的选型，还需要进行各种组合条件下的测试，想必就更难忍受了。 如果你正被这个问题困扰，估计今天的这个方案一定能帮你解决这个问题！ 这个方案依旧是使用 N6705B 直流电源分析仪，这里就不再过多的介绍 N6705B 了，可以参考之前的博文“ 安捷伦 N6705B 助力手机耗电分析”。 测试连接框图如下： 从图上可以看出，使用通道 1 仿真手机的电池，通道 2 模拟 5V 的手机充电器，最为主要的是使用 N6705B 的任意波形和示波器，数据记录仪的功能，分别模拟电池的电压随充电过程的变化，捕获和记录电池的电压和电流变化。实测结果如下图：        而且，该方案可以模拟电池的内阻；不同输出电流能力的充电器；包括充电器上叠加的纹波对充电的影响，如下图如果充电器电压为 4.5V ，但叠加 100mV 纹波的情况下，手机充电曲线的变化： 相信大家已经从图上看到了充电曲线的明显变化——恒流时间更短，恒压期间的电流波动更大，这些最终会导致充电时间变长，充电终止电压不准确等影响电池性能的问题。 总之，采用这种方案，使得需要数小时才能完成的测试，估计在 1 分钟以内就能搞定，而且可以模拟手机在配合不同的充电器，电池情况下的充电管理性能，最终保证手机无论什么情况下都能充当合格的“指挥官”角色。

在前期的博文“ 边充电，边打电话的危害”中，给大家介绍过下面这幅充电连接框图，不过上次讨论的是充电时，手机也在使用的情况下，对电池寿命是否会产生影响问题！     今天再次讨论的是在手机充电过程中，谁在执行电池充电管理的控制，包括： 1.        何时恒流充电？ 2.        恒流充电电流多大？ 3.        何时从恒流切换到恒压充电？ 4.        何时充电截至等？ 我曾经就这个问题请教过很多的工程师： ——有的说是电池的控制保护电路板？ ——也有人说是手机的电源管理芯片？ ——如果说是手机的电源管理芯片，那用“万能充”的时候又是如何控制呢？ 我们在前面已经讨论过电池控制和保护电路板的性能测试，针对充电性能，保护板有充电过压保护和充电过流保护，并没有所谓的“充电恒流”控制。 如下图所示的某“万能充”充电器，它的工作电压为 4.2V ，限电流为 300mA ； “万能充”对电池进行充电时，它只负责提供最高的 4.2V 电池充电截至电压，和限定的电流，当电池电压远小于 4.2V 时，工作在限定的电流；而当电压接近 4.2V 时，电流将逐渐减小，直至电流接近 0. 这种似乎和电池的充电曲线比较相似，但还是存在一些不足，建议不要长期使用： 1.        “万能充”为了适应各种容量的电池，通常电流都比较小。如上面的“万能充”标称可适用 250mAh-5000mAh 的电池，如果给某 3000mAh 电池充电，需要至少 10 个小时才能充满。 2.        与普通的充电器不同，“万能充”的电压是直接加到电池的正负电极的，如果输出电压不稳定，势必造成电池的无法充满或者“过充”。 3.        一般的“万能充”无法进行电池温度的检测，在异常情况下无法实施相应的保护。 现在估计大家应该已经有了答案，手机才是真正的充电过程的“指挥官”！ 在充电时，充电器 充当稳压源的角色，而且电压要高于电池的 4.2V, 所以充电一般的是 5V 电压；手机实时检测电池的电压，并按照电池当前电压 来决定 和控制 提供给电池的电流和电压大小，最终按照电池的充电曲线进行精确的控制。 但是，实际充电的效果还取决于： 1.          充电器的输出电压精度，稳定性和提供的最大电流； 2.          手机充电管理芯片 设定的充电电流大小，对电池的电压检测精度； 既然手机在整个充电管理中充当如此重要的“指挥官”角色，因此，快速测量和评估手机充电管理性能也就变得很有必要。 在接下来的一篇博文中，将给大家分享如何使用 N6705B 的两个通道实现快速，直观，准确的评估手机充电器的性能！ 下图中可以看到，电源 1 通道仿真的电池的电压（ V1 ）随着充电逐渐增加，电池获得的电流开始保持恒定，然后逐渐减小的过程。

从 4 月份开始写这一个漫长的“手机耗电性能三件套”系列，到现在已经经历了大约 3 个月的时间，其中 5 篇关于手机耗电发展趋势及如何快速、精确耗电测试； 7 篇关于锂电池的特性和锂电池容量，内阻，保护板的测试。 那我们就赶紧进入“三部曲”的最后一个部分吧！——充电器及充电管理！ 让我们做个调查： 你或你的家人是否不同品牌或型号的手机，但 共用 某一个充电器给电池充电？ 在回答这样混用是否会对手机充电或电池寿命，甚至造成电池爆炸等危险之前，我们先来探讨另外一个一直以来都被广泛 热议的话题“ 统一手机充电器标 准？ ”。在今年的两会上， 全国政协委员、中科院信息工程研究所所长田 静再次发表了统一手机充电器标准的倡议，详细报道可以访问以下链接： http://biz.xinmin.cn/2013/03/25/19381362.html 我非常认同田所长的观点，而且我也想再次强调这几点： 1.        现在手机已经非常普及，手机已经成为更新非常快的消耗品，很多人 1 年，甚至半年就会更换一台手机。如何重复使用 旧手机的部件，特别是充电器，耳机等非易耗材，可以节省消费者大量的成本，田所长提到的是大约 300-400 亿。 2.        在相关部门和行业的努力下，充电器已经很大有一定的改观；在 2007 年 “ 电源适配器＋线缆＋手机 ” 的三段式结构，统一了充电器侧接 口 ； 2009 年，又将手机侧的充电 / 数据端口统一到了 3 种的接口 。所以现在很多手机充电器都可以相互混用了，手机充电器混用是我们今天要讨论的重点。 3.        其实，手机充电器标准统一只是其中一个部件，还有手机电池也存在着同样的问题，现在电池的形状，触角等各种外形规格都完全不一样。 我们先来了解一下手机充电器的一些特征： 手机充电器简单点说就是一个电源适配器，目的是将电网中的 220V ， 50HZ 的交流电转换为锂电池充电需要的电压。而一般手机电池的电压通常工作在 2.5V 至 4.2V ，因此，充电器一般输出 5V （水往低处流的道理，充电器要略高于电池电压）的工作电压。                 如上图中的充电器标准，该充电器可以适用于 110V 或 220V ，频率 50Hz 或 60Hz 的交流电网，直流输出为 5V ，最大电流 1A 。 手机充电器的适配器是充电器最为重要的部分，用更加专业的说法叫做 AC-DC 电源。手机充电器的好坏其实有很多重要评估参数，如输出电压 5V 是否准确，长期稳定性，输出纹波和噪声大小，对负载的兼容性，充电转换效率等，这些今天我们不做过多的讨论。 充电器的另外一个非常容易被忽略的部分就是充电器的连接线，大家可能平时最关注的是导线的两边的接头是否刚好一样，特别是手机端的接头与手机一样吻合。 这条连接线究竟有什么讲究呢？ 我们来看下面这个例子： 假设充电器的输出电压是标称的 5V ，最大充电电流 1A ，假设充电线上的电阻 1 欧姆（取决于连接线长度，粗细及材质），此时电池端的电压为： V1 = 5V- 1A x 1 Ω = 4V 请问这中情况下还能将电池的电压充到 4.2V 吗？ 有可能你似曾遇到过相似的情况，假如你尝试过用普通手机的充电器给 IPAD 充电，应该就有过相同的经历——无法正常充电，这是因为 IPAD 电池容量很大， IPAD 充电管理设定的充电电流比充电器能提供的还要大，因此 ……. 。 关于上面提出的充电混用问题，我不想做任何武断的结论，大家可以在网上看到很多种答案，有人说完全没问题，也有人说完全不可以。 我个人的观点是尽量避免这样混用，特别是不同品牌的手机，因为通常手机原厂配置的充电，电池及手机是进行过充电管理曲线优化的，如果更换充电器或者电池，其如下图的充电曲线就可能不一样，最终影响充电的时间及电池的寿命！ 再次回到充电器标准统一的问题上，其实相关协会或监管部门要做的不是强制执行什么，而是要定义好对应的标准和等级，如： 1.        按照充电器的输出能力，电压，电流及详细指标给出一定的级别； 2.        规定充电器连接线，接口的类型和规格； 3.        电池的容量，内阻，充电的电流等； 4.        建立手机，充电器，充电连接线，电池单独销售，而不是现在由手机厂家统一销售的模式。 当然，所有的这些都需要广大消费者，企业及相关行业协会，监管部门的共同努力才能真正实现标准的统一，实现真正意义上的“节约”！

     今天和一位资深的手机设计工程师交流电池测试方法时，他突然提出一个我之前很少思考过的问题，如何保证或者校正手机屏幕显示的电池剩余电量的准确性？                 的确，我之前用的手机就有这样的，当电池的电量较低时用的时间更短，如从 100% 用到 20% 用了 24 小时（平均 3 小时消耗 10% ），但从 20% 到没电估计就只用 2-3 个小时。                 手机显示的剩余电量有两种方式，第一种比较简单，手机内部监测电池的电压，如规定电池电压工作范围在 3.2V-4.2V 共 1.0V 区间，即 3.2V 为 0% ， 4.2V 为 100% 。假设电池电量与电压是线性变化的，当电压没变化 0.1V ，认为电池电量变化 10% 。 4.2V-4.1V, 10%; 4.1V-4.0V, 10%; 4.0V-3.9V, 10% ……                 第二种相对比较困难，手机同样是内部监测电池的电压，也同样电池电压工作范围在 3.2V-4.2V ，但电池的电压与电量变化不是线性的，而是按照不同的电池定义每 0.1V 电压对应的电量，如 4.2V- 4.1V, 30%; 4.1V -4.0V, 15%; 4.0V-3.9V, 10% ……                                 其实，电池的容量与电压的关系 就像 下面相同高度的玻璃杯 的水面高度 与 所装水的多少一样。如果是玻璃杯“ B ”，高度和水的容积是线性的，那就可以使用上面提到的第一种方法进行电池容量监测。但 如果是其他类型的玻璃杯，第一种方法就会存在一定的失真，而且失真的大小与玻璃杯的形状有很大的关系，显然玻璃杯“ C ”和“ D ”失真较大。                 实验数据表明，锂电池的剩余容量和电池的电压不是线性的，更像“ C ”或“ D ”型玻璃杯，即相同的 0.1V 电压变化在高电压时的对应容量较大，而在低电压时较小。                 所以，手机要准确显示电池当前的剩余电量，就必需 事先清楚电池的电压与容量曲线。因此，精确测量 电池容量与电压关系 就变得非常重要！                 通过准确的监测充电电压和电流曲线，以及电量的分析，我们可以看到以 0.05V 为一个电压步进，以上电池的电压与电量变化规律如下表： 电池电压范围 对应的电量 3.80-3.85V 67mAh 3.85-3.90V 69mAh 3.95-4.00V 161mAh 4.00-4.05V 145mAh 4.05-4.10V 126mAh 4.10-4.15V 75mAh 4.15-4.20V 88mAh                   当然，测试该曲线时，建议使用较小的充电或放电电流，尽量减小电池内阻 对 电压测量精度的影响。