智慧手機的基本觀念其一 / 電池及充電

北極光

智慧手機的基本觀念其一 – 電池及充電

                                一月 12th, 2012                                at 16:44                                                                (安卓人生, 日新月異)                                                         

對手機來說，電池一直都是一個重要的配件。到了智慧型手機時代，手機耗電大幅提升，電池科技卻沒有跟上，如何善用電池及延長它的壽命，變成大家急欲尋求的解答。
有時候越是流行的東西，在網路上，反而會充斥太多似是而非的文章。專業人士忙著賺錢，也懶得去和一般人解釋。
推文回答推久了會有點煩，所以雖然我不是EE背景，就讓我這個在手機廠打工的工程師班門弄斧一下吧。

一、原理：
太深的東西這邊就不提了，但是還是來輕描淡寫一下。
首先，在2012年的現在，基本上所有的手機所使用的都是鋰離子電池，其中絕大多數使用鋰聚合物。(一般我們說鋰電其實並不精確，因為嚴格來說鋰電是指一次性的鋰電池，不過…就算了吧)
其原理，簡而言之，就是靠鋰離子在正負極之間的移動來工作。放電時，鋰離子離開負極，進入正極，產生電流。充電時，由於我們從外部加上的電流，強制鋰離子反向移動，從正極移到負極，還原成可以再度放電的狀態。
二、電壓：
和一般人直觀的想法可能稍有不同，和插頭或電源供應器不一樣，基本上只要是電池，其電壓並不會是固定的，它必定隨著不斷放電，而造成從最高電壓慢慢的降低，直到無法再提供足夠的電壓和電流。
手機用的鋰離子電池，其工作範定義為3.2V~4.2V。基本上不管電池上標示3.7V，4.2V，實際上手機電池在真實電壓上並沒有什麼太大的區別。下次看到同廠牌，無論標示 3.7V 或 4.2V，只要容量相差不遠，接頭相同，事實上應該都是可交換的。
如果標示4.2V，意味是標示鋰離子電池的最高電壓。如果標示3.7V，則代表它標示的是所謂的名義(Nominal)電壓。大多數充電電池標示的電壓都是所謂名義電壓，例如說AA鎳氫電池的1.2，汽車鉛酸電池的12V，還有鋰離子電池的3.7V。這個名義電壓主要的用途是用來計算電力的，對於放電曲線是接近線性的充電電池來說，這是它的中點電壓。
3.7V大約剛好是是3.2V和4.2V的中點。所以同理，AA鎳氫工作電壓約為1.0V-1.4V，汽車鉛酸電池約為10V-14V。
(真實的情形其實和上述簡化的說法略有不同，因為放電曲線通常都不是真的線性，以鋰離子電池而言，3.7V 應為其充飽後放到，一直到電池 cut-off voltage 約 2.75V 的「平均電壓」。)
鋰離子電池是絕對禁止過充和過放的，一旦充電超過4.2V，會使得電池產生不可逆的結晶體，減少其壽命和電量。其狀況嚴重者，也就是平常看到電池脹大的狀況。此時，最好是停止使用此顆電池，因為結晶若刺穿電池的薄膜，會有短路、燒毀、甚至爆炸的危險性存在。
而放電到低於2.75V的時候，同樣會對電池造成不可恢復的損害，大幅降低電池的可用電量及壽命。
三、電量：
電池的電量大多是以mAh或Wh來標示的。顧名思義就是mA(毫安培)xh(小時)或Watt(瓦特)xh(小時)。
這個容量怎麼計算的呢？其實就是電流和時間的積分。
如果一顆鋰離子電池，以50mA放電可以使用30個小時，那麼這個電池的電量為50mA x 30h = 1500mAh，換算成Wh就是1.5Ah*3.7V(Nominal Votage) = 5.55Wh。(1A = 1000mA)
過去在feature phone的時代，多半以電池目前的電壓，加上放電曲線，來推估電池剩餘的百分比。不過這有一個問題就是，因為電壓根據溫度還有目前充/放電的情形不同，上下跳動的程度非常大，所以也就非常地不準。
再者，電池有老化的問題，電量是會隨時間遞減的。所以現代的手機會在電池上(ex. HTC)或手機上(ex. Sony Ericsson)，放置一顆Gauge IC(流量統計及充電控制IC)。當你充電或放電時，這顆IC會統計流經的電流量，以便提供更精確穩定的電量數據。
四、壽命：
通常以充放次數(cycle)來計算。
一般而言，如果一顆電池宣稱它有500次充放的壽命，代表它經過500個"cycle"之後，還能儲存到原本一半以上的電量。
所謂的cycle，並不是說你拿去充電一次就算一次，而是以完全充放一次來計算。以手機為例，就是從4.2V，用到3.2V，然後再充到4.2V，這樣算是一次(1 cycle)。
也就是說，如果你今天用到50%，再拿回去充到100%，只進行了一半的循環，那這樣並不算一次，而只是0.5個cycle。
鋰離子電池電敢號稱自己無記憶效應，只要不要過充和過放，長充長放和短充短放，對壽命的影響差異甚微。
五、充電：
有別於鉛酸及鎳氫都會提高至16V/1.6V，超過其工作電壓的高壓來提高充電速度，由於鋰離子電池是不可過充的，所以一般都是固定用4.2V去供電。
至於充電的來源，現在主流都是USB充電，所以可以用電腦的USB搭配傳輸線，或用AC(插座)轉USB的旅充來充電。外部的5V直流，經過充電電路降壓至4.2V後，再對電池充電。
很多人搞不懂充電電流的意義，基本上充電電流要分成三個部份來看。

1. 來源的電流：如果用電腦USB充電，其電流限制為500mA，這是USB的規範。如果是AC轉5V，通常看到的種類有500mA, 1000mA, 1500mA, 2000mA幾種。
2. 充電電路的限流：傳統上鋰離子安全的充電電流為1C。也就是說，如果1500mAh的電池，安全充電電流上限為1.5A。因此，不能有多少就吃多少，必須在供電電路上限流。以小型的feature phone，電池約在700-900mAh，通常限流為500mA。目前主流的smart phone，其容量為1200mAh至1900mAh，廠商一般將手機端限流定在1A。而平板電腦，例如說iPad等，其電池至少為3000~4000mAh起跳，所以一般限流為1.5或2A。
3. 壓差：固定4.2V的充電方式，自然而然產生了「先快後慢」的充電效果。充電端加上4.2V，0%時4.2V和3.2V壓差很大，電流自然就可以很大。等充了到一定成數之後，電壓差越來越少，電流自然就會往下慢慢掉。最後等到電壓電壓達到4.2V，無電位差的情形自然充電電流就成為0，電池也就充飽了。

六、充電器和充電線的選擇：
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一般來說，除非不得已，是不太建議邊充邊用的，一般來說，一邊大電流充電，一邊重度使用(例如玩3D遊戲)將會造成手機急速發熱，影響手機和電池的壽命是一則。很多手機電池超過45~50度時，會自動停止充電來保護電池！
在不會造成手機發熱的情形下輕度使用，倒是無妨，只是這段時間會充得比較慢。
特別要注意的一點！！：手機和平板，為了怕從來源，如電腦，抽取過量的電流，所以必須是它能辨識的充電器，才會開放1A甚至2A的供電。否則，一般都是固定在500mA最安全的電流量。通常是將USB的D+D-短路(HTC)，或加上一定的阻抗使其在特殊的電壓值(Apple)。故除了選擇品質穩定，電流充足的充電器以外，務必注意手機是否能正確辨識此充電器，否則可能會空有1A或2A的標示規格，你卻只用得到500mA。
還有一個可能大家都有經驗的東西，就是有時候插上插頭，手機的螢幕就變得很難操作。這是因為電容觸控螢幕對微小的電流雜訊非常敏感，但因為你的旅充供應的電流雜訊過大，就會造成觸控的反應整個亂掉。基本上是不需要擔心因為這個問題影響手機的壽命，但是的確很討厭。解決之道還是使用穩定的充電器，不過有些手機若設計不良，電源的電磁幅射隔離不佳，也有可能連原廠充電器也會發生這樣的問題，只是程度差別，那就沒辦法了。
七、FAQ：
請連結     來源出處:http://priv.tw/blog/archives/545

jeff.lin

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