架构 Android

android充电架构的分析

前言

目前android设备越来越多，对于快速充电和长时间待机的需求就不言而喻。对应于此的就是各大手机厂商不断突破大功率充电新闻频繁的出现。在个人目前遇到的快充方案中，基本上在大的架构下属于同一种类型。故分析记录下来。

基本原理

充电简单粗暴点来说就是把电流灌到电池里面去。那么最简单的方法就是直接拿一个电源接在电池的正负极。只要电源电压高于电池电压就可以把电流灌进去。就如同直接打开水龙头开关接水一样。

但是这样会存在很多问题。例如：电池此时的电压很小，电源电压很高，一怼上电池上的电流就会变得非常大，很可能烧坏电池。所以需要根据电池的电压来调节输入电源的电压。这样又会出现充一会后就调一下电压，太麻烦了。因此可以使用计算机来完成这些动作，通过一颗锂电池充放电芯片来管理充放电的过程。

使用锂电池充电芯片，整个充电过程大致分成了三个阶段：分别是预充、恒流、恒压。

上图是各个阶段电池电流，电压的状态。

但是该方案存在转化效率较低的问题，特别是在大功率的情况下，损耗太大。因此在手机里不常采用这个方案，不过无论怎样，基本的充电曲线还是和上图保持一致的。

基本硬件架构

现在手机充电的基本架构如下图所示

电源输入

首先是电源的输入。目前手机上输入电源普遍支持有线和无线两种方式。在该架构下并不是简单让电源输入一个固定电压完成充电。而在由ap在不同阶段调节输入电源的功率。因此电源的提供需要支持调压的过程。现在在无线中常使用qi协议，而有线中常使用pd协议。

充电模块

充电模块现在主要由main charger（充电芯片）和charger pump（电荷泵芯片）构成，因为charger pump在大电流的情况下效率很高。整个充电过程依旧和上面的充电曲线基本一致。只不过此时的cc阶段和前半段的cv阶段由charger pump来完成，其余的由main charger来完成

main charger芯片在自身集成了数字逻辑，所以可以自动的切换各个阶段。而charger pump则不是这样，它只是一个模拟器件，我们可以把它理解成一个开关（经过它以后电流升一倍，电压降一半。譬如输入10v,5a输出就是5v,10a）

故在使用过程中通过ap的程序来模拟充电阶段。比如我们规定在cc阶段下的电流是6a，而此时ap采集到的电流是4a。那我们就通过协议去增大电源的输入；采集到的电流大于6a则降低电源的输入。

电量计模块

电量计模块主要是获取电池的电量信息。然后上层可以获得电池剩余电量百分比等。

软件架构

android手机内核采用的是linux内核，android有很多层。单单对于充电功能来说可以把它分为2层，一层是kernel里的驱动和逻辑实现，另一层是上层。android界面上显示和充电相关的信息就需要从kernel这一层拿。

在内核中一切皆文件，那对于充电这部分来说也不例外。上层获取的信息都是从/sys/class/power supply路径获取的。这个路径是由代码决定的（源码路径：/system/core/healthd/BatteryMonitor.cpp）

在充电信息发生改变的时候kernel就会调用uevent，上层就会接收到，然后执行下面的函数更新状态。

bool BatteryMonitor::update(void) {

    bool logthis;


    initBatteryProperties(&props);


    if (!mHealthdConfig->batteryPresentPath.isEmpty())

        props.batteryPresent = getBooleanField(mHealthdConfig->batteryPresentPath);

    else

        props.batteryPresent = mBatteryDevicePresent;


    props.batteryLevel = mBatteryFixedCapacity ?

        mBatteryFixedCapacity :

        getIntField(mHealthdConfig->batteryCapacityPath);

    props.batteryVoltage = getIntField(mHealthdConfig->batteryVoltagePath) / 1000;


    if (!mHealthdConfig->batteryCurrentNowPath.isEmpty())

        props.batteryCurrent = getIntField(mHealthdConfig->batteryCurrentNowPath) / 1000;


    if (!mHealthdConfig->batteryFullChargePath.isEmpty())

        props.batteryFullCharge = getIntField(mHealthdConfig->batteryFullChargePath);


    if (!mHealthdConfig->batteryCycleCountPath.isEmpty())

        props.batteryCycleCount = getIntField(mHealthdConfig->batteryCycleCountPath);


    if (!mHealthdConfig->batteryChargeCounterPath.isEmpty())

        props.batteryChargeCounter = getIntField(mHealthdConfig->batteryChargeCounterPath);


    props.batteryTemperature = mBatteryFixedTemperature ?

        mBatteryFixedTemperature :

        getIntField(mHealthdConfig->batteryTemperaturePath);


    std::string buf;


    if (readFromFile(mHealthdConfig->batteryStatusPath, &buf) > 0)

        props.batteryStatus = getBatteryStatus(buf.c_str());


    if (readFromFile(mHealthdConfig->batteryHealthPath, &buf) > 0)

        props.batteryHealth = getBatteryHealth(buf.c_str());


    if (readFromFile(mHealthdConfig->batteryTechnologyPath, &buf) > 0)

        props.batteryTechnology = String8(buf.c_str());


    unsigned int i;

    double MaxPower = 0;


    for (i = 0; i < mChargerNames.size(); i++) {

        String8 path;

        path.appendFormat("%s/%s/online", POWER_SUPPLY_SYSFS_PATH,

                          mChargerNames[i].string());

        if (getIntField(path)) {

            path.clear();

            path.appendFormat("%s/%s/type", POWER_SUPPLY_SYSFS_PATH,

                              mChargerNames[i].string());

            switch(readPowerSupplyType(path)) {

            case ANDROID_POWER_SUPPLY_TYPE_AC:

                props.chargerAcOnline = true;

                break;

            case ANDROID_POWER_SUPPLY_TYPE_USB:

                props.chargerUsbOnline = true;

                break;

            case ANDROID_POWER_SUPPLY_TYPE_WIRELESS:

                props.chargerWirelessOnline = true;

                break;

            default:

                KLOG_WARNING(LOG_TAG, "%s: Unknown power supply type\n",

                             mChargerNames[i].string());

            }

            path.clear();

            path.appendFormat("%s/%s/current_max", POWER_SUPPLY_SYSFS_PATH,

                              mChargerNames[i].string());

            int ChargingCurrent =

                    (access(path.string(), R_OK) == 0) ? getIntField(path) : 0;


            path.clear();

            path.appendFormat("%s/%s/voltage_max", POWER_SUPPLY_SYSFS_PATH,

                              mChargerNames[i].string());


            int ChargingVoltage =

                (access(path.string(), R_OK) == 0) ? getIntField(path) :

                DEFAULT_VBUS_VOLTAGE;


            double power = ((double)ChargingCurrent / MILLION) *

                           ((double)ChargingVoltage / MILLION);

            if (MaxPower < power) {

                props.maxChargingCurrent = ChargingCurrent;

                props.maxChargingVoltage = ChargingVoltage;

                MaxPower = power;

            }

        }

    }


    logthis = !healthd_board_battery_update(&props);


    if (logthis) {

        char dmesgline[256];

        size_t len;

        if (props.batteryPresent) {

            snprintf(dmesgline, sizeof(dmesgline),

                 "battery l=%d v=%d t=%s%d.%d h=%d st=%d",

                 props.batteryLevel, props.batteryVoltage,

                 props.batteryTemperature < 0 ? "-" : "",

                 abs(props.batteryTemperature / 10),

                 abs(props.batteryTemperature % 10), props.batteryHealth,

                 props.batteryStatus);


            len = strlen(dmesgline);

            if (!mHealthdConfig->batteryCurrentNowPath.isEmpty()) {

                len += snprintf(dmesgline + len, sizeof(dmesgline) - len,

                                " c=%d", props.batteryCurrent);

            }


            if (!mHealthdConfig->batteryFullChargePath.isEmpty()) {

                len += snprintf(dmesgline + len, sizeof(dmesgline) - len,

                                " fc=%d", props.batteryFullCharge);

            }


            if (!mHealthdConfig->batteryCycleCountPath.isEmpty()) {

                len += snprintf(dmesgline + len, sizeof(dmesgline) - len,

                                " cc=%d", props.batteryCycleCount);

            }

        } else {

            len = snprintf(dmesgline, sizeof(dmesgline),

                 "battery none");

        }


        snprintf(dmesgline + len, sizeof(dmesgline) - len, " chg=%s%s%s",

                 props.chargerAcOnline ? "a" : "",

                 props.chargerUsbOnline ? "u" : "",

                 props.chargerWirelessOnline ? "w" : "");


        KLOG_WARNING(LOG_TAG, "%s\n", dmesgline);

    }


    healthd_mode_ops->battery_update(&props);

    return props.chargerAcOnline | props.chargerUsbOnline |

            props.chargerWirelessOnline;

}

很显然可以从code看出，通过该路径下文件夹里的type文件的值，来获得不同的信息。
例如

此时我进入到test_usb节点下，type为usb。然后online节点则表示usb连接是否在线，此时为1，则表示usb连接，充电图标会亮起来。

然后通过命令echo 0 > online ，强制将该值写为0。充电图标消失。