為啥你的手機電池不行了？這位“電源后勤官”起了大作用
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-18 11:59
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而如今的電子設備如手機，供電的電源模塊就像這費力不討好的后勤官。雖然兢兢業(yè)業(yè)地為主人服務，卻時不時要受人埋怨，無論你用蘋果、三星還是華為、小米，人們換手機的理由總是"電池不行了、耗電太快了..." 今天筆者就來講講，為啥always電池背鍋？
意外出生還難養(yǎng)活的“祖宗”——鎳電池
1890年，大發(fā)明家愛迪生(Thomas Edison)試圖發(fā)明一種連續(xù)顯示照片的裝置，可研究的腦殼疼也沒進展，于是他決定換換腦子，找個容易的東西研究一下。于是，他選的是蓄電池，研究的方法也很簡單，就是“換料不換湯”。嗯，更學術的表達是：通過不斷更換蓄電池的正負極材料，獲得充放電效率最好的材料，結果可充電的鐵鎳電池就這么誕生了。[2]也許這只是他一生中兩千多項發(fā)明里，極為普通的一項，卻對后世的我們產(chǎn)生了巨大影響。
誰都不愛的愛迪生| wikipedia.org
鐵鎳電池是什么鬼玩意？它其實是早期手機電池的祖宗，早年用過小靈通、諾基亞的朋友們應該記得，那會兒手機有多麻煩。（就因為它們是鎳合金電池）以前手機新買回來，充電一定要耐心。首先第一次充電要24小時以上，此所謂三顧茅廬；其次充足電一定不能放著不用，否則會破壞壽命；且盡量在電量用完后再充電，此所謂鞠躬盡瘁；最后充電不能充太久，否則就要英年早逝。哎我說，你這手機比老婆還難伺候啊。
圖片出自電視劇《三國演義》
為此鎳電池沒少受埋怨，這手機后勤官做得非常委屈，但說到底這還真得怨它。之所以這么多毛病，是因為充放電不完全的鎳電池會產(chǎn)生一種被稱為“周期記憶”的現(xiàn)象，指的是電池中會形成晶體，使得自放電速率一次次增大。就是說這鎳電池會記住自己活了多久，而且年紀越大越不成器，簡直就是孔融口中“小時了了，大未必佳”的那老哥，一把年紀活到狗身上去了。
更可怕的是，耗電快就算了有些鎳電池還有毒（說的就是你，鎳鎘電池）。而沒毒的鎳氫電池卻性能差不說，還可能“中道崩殂”。
用到一半就不好使的鎳氫電池[3]
在鎳電池時代，如果這電池是個人，估計很多用戶都想說句“汝妻子吾養(yǎng)之”，然后把它給宰了，真是太氣人了。
堿性電池、鉛酸電池、鎳電池三結義
上一節(jié)我們說愛迪生正在研究一個基于“視覺暫留效應”的連續(xù)顯示照片的裝置，后來它研究出來了，現(xiàn)在人們管它叫“電影”。這件事做完之后，愛大發(fā)明家閑下來了，于是又著手研究新的電池。[4]
1902年，愛迪生發(fā)明了“堿性電池”，這種電池的正負極還是用鎳、鐵，但里面的電解液卻用了堿溶液，這次是真的“換湯不換料”了。他用這種電池做車輛動力的試驗，每充一次電，行程可達100英里，真是非常持久呢。加上之前早就出現(xiàn)的鉛酸電池和上文提到的鎳合金電池，至此電池屆的“三巨頭”終于出現(xiàn)了。
三巨頭斬雞頭、燒黃紙、歃血為盟，決定日后三分電池屆的天下。恰好三者優(yōu)缺互補，各有各自的應用領域。其中，堿性電池保質(zhì)期長，但是循環(huán)壽命短、能量密度低，適用于放電量不大、需長時間使用的地方；而鉛酸電池（顧名思義，就是正負極用鉛，電解液是酸性溶液），較便宜且輸出功率大，但是體積太大，常用于汽車行業(yè)；最后，我們之前說的鎳電池由于其特性，一般用于手持設備比如手機。
本來地盤劃分的好好的，三基友開開心心過著日子，不料半路殺出個程咬金。1990年日本索尼公司開發(fā)出戰(zhàn)斗力爆表的鋰電池，它不僅沒有令人討厭的記憶效應，而且能量密度很高使用壽命也很長，這簡直就是人見人愛的“錦鋰”。鋰電池的出現(xiàn)迅速取代了鎳電池的江湖地位，一個可見的變化在于，手機、筆記本等便攜式電子設備的重量和體積大大減小。
當然，鋰電池也并不是沒有缺點的。它的充放電電壓最好能在2.4V~4.2V之間，一旦偏離就容易燃燒爆炸，所以歌手陳粒的“易燃易爆炸”完全可以改名兒叫“我，鋰電池！”。
這也是為什么安檢時要求拿出來手機、筆記本，容量大的充電寶不讓帶上飛機，以及爸媽不讓小朋友和不懂事的大人瞎玩手機電池的原因，真的會炸！
任勞任怨的電源管理芯片
正因為鋰電池“脾氣暴躁”，需要嚴格管控其工作電壓；且電子設備各個部分電壓需求不同，需要精確按需分配，所以電源管理芯片應運而生。
如果說電池是電源后勤官的糧草，那么電源管理芯片就是它的左膀右臂，它們負責將糧草（電能）有效分配給設備中的不同組件。對于我們的第六器官--手機來說，沒多少糧草（電池體積?。﹨s有不少活干（衣食住行全靠它），電源管理芯片的作用就顯得極為重要，優(yōu)秀的電源管理芯片能將續(xù)航時間，電池壽命大大提高。
什么是優(yōu)秀電源管理芯片呢？就是通過電路設計，使器件有這兩個特點：低功耗和高效能。這好理解，就是希望它吃的比雞少，干的比狗多。這如何實現(xiàn)呢，就要靠我們的集成電路設計師了。這兩點要求看著容易，做起來可難，需要綜合考量功耗、性能、響應速度、噪聲等一系列參數(shù)，這可把我們IC設計師愁壞了。因此在業(yè)界一直有一個說法，如何區(qū)分一個IC設計師的水平？看發(fā)量！
那電源管理芯片都分哪些類別？其實就是接口保護電路和電壓調(diào)整兩類而已。他們就好像我們身邊的軍人和警察，一個負責保護我們不受外敵侵擾，另一個負責內(nèi)部的穩(wěn)定。
兩種類別均僅列出主流常用的種類
1.多種多樣的接口
接口大家應該比較熟悉，特別是那些經(jīng)常忘帶充電器，需要找人借的小伙伴。而接口保護電路，就是在你把接口插斜了、插反了的時候對接口進行保護。
以手機充電接口為例，現(xiàn)在市面上比較主流的有三種，華為等廠家采用的USB-C接口、三星等用的Micro USB接口以及蘋果的Lightning接口。
從圖中可以看到，三者各有特點，目前市場上占比最大的是Micro USB接口，除手機外，很多便攜式電子設備都用了這種接口。不過，這種接口有個很大的問題，就是其存在正反面差異，經(jīng)常讓用戶很頭疼。
而USB-C口因為無正反面，支持USB接口雙面插入，正式解決了“USB永遠插不準”的世界性難題，想必早晚會一統(tǒng)接口界。據(jù)說蘋果都打算放棄Lightning，加入USB-C陣營了。
2.復雜的穩(wěn)壓器
而說到電壓調(diào)整類，這個比較難理解，我以線性穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulator ，LDO）為例，給大家介紹一下。其核心器件其實就是一個功率管，大概長這樣。
這只是需求中最簡單部分，此外還有電源抑制比，環(huán)路穩(wěn)定性，噪聲等等一大堆需求。因此我們需要設計出的各種各樣的模塊，滿足客戶的各種奇葩需求。這樣一個簡單的LDO，被越做越大，模塊越做越復雜，晶體管的數(shù)量越做越多。最后一個小東西，變成一個大工程。[5]
飛速發(fā)展的中國IC產(chǎn)業(yè)
我們紅火的互聯(lián)網(wǎng)包括移動互聯(lián)網(wǎng)，其實是建立在各種芯片組成的硬件的基礎上；而硬件又受材料科學限制，比如從鎳電池到鋰電池；材料科學又受限于基礎學科的進步。在學校，經(jīng)常有人說研究基礎學科，如物理、化學是大坑，其實不然。這些基礎學科都是高科技制造業(yè)的地基，如果地基不牢，我們是無法將大廈蓋高的。
而可喜的趨勢在于，我國正不斷加大經(jīng)費投入，用于基礎學科的突破。比如投資建設了預算超過300億的環(huán)形正負電子對撞機（Circular Electron Positron Collider ，CEPC），致力于探索粒子物理學的高峰，挖掘出標準模型背后的物理定律。[6]
不僅如此，目前計算機、通信和其他電子設備制造業(yè)也已成為我國目前投入最高的產(chǎn)業(yè)。從2014年開始，我國成立了集成電路大基金，大力扶持芯片行業(yè)，各地爭相建立集成電路基地，給芯片企業(yè)大開綠燈。在這種情況下，IC設計全行業(yè)銷售額逐年穩(wěn)步上漲，在全球集成電路設計業(yè)的占比也不斷提高。[7]
這也迅速帶動了從業(yè)人員薪資的增長，今年集成電路芯片設計公司的校招研發(fā)崗位，待遇相比去年明顯提高，甚至很多地方出現(xiàn)薪資倒掛的現(xiàn)象（就是校招工資比從業(yè)者還高。）
在這種高投入高激勵下，低端芯片領域上國內(nèi)已近迎頭趕上，而高端芯片也在步步前進，相信中國芯片產(chǎn)業(yè)的崛起只是時間問題，哪怕再過三年，情況都可能大不一樣。
