¿Cómo se pueden cargar y usar los teléfonos celulares al mismo tiempo?

La explicación 2 es correcta. Y su intuición de extraer más corriente de la toma de corriente es correcta, pero hay un paso intermedio: el sistema de carga USB. Hay hardware en la pared de la verruga que tiene que convertir la alimentación de 120 VCA a la de 5 V CC que utiliza el USB (y por lo tanto se usa para cargar su teléfono). Ese hardware podría calentarse y romperse (o incluso provocar un incendio) si se consume mucha energía. Los diseñadores de USB limitan la corriente que se puede extraer a través de un cable USB. La especificación inicial lo limitó a 500 mA de 5 V actuales, aunque las actualizaciones posteriores a la especificación USB permiten los cargadores "rápidos" de 1A y 2A que vemos hoy. En cualquier caso, no se permite que el teléfono extraiga más energía de la pared, incluso si lo desea.

Para cumplir con estas reglas, los teléfonos tienen un hardware regulatorio que garantiza que no consuma más energía de la que está permitido. Si no puede obtener suficiente energía para hacer todo lo que quiere, simplemente cargará la batería más lentamente. En algunos casos extremos, con los teléfonos hambrientos de energía con GPS y las aplicaciones que usan la CPU, esto puede consumir tanta energía que la batería no se carga en absoluto.

Básicamente, la fuente de carga, la batería y la carga están conectadas en paralelo.

Si el cargador suministra más corriente de la que requiere la carga, el exceso de corriente se usará para cargar la batería.

Si la carga requiere más corriente de la que el cargador puede suministrar, la batería suministrará el exceso.

Si bien es cierto que no puede cargar y descargar la batería al mismo tiempo, "parece que" lo está haciendo, ya que la batería cambiará entre carga y descarga automáticamente según la demanda de carga o el suministro de carga varíe.

Su explicación # 2 del proceso de carga mientras trabaja es correcta. Una batería está en modo de carga o en modo de suministro. Esto se logra a través de circuitos electrónicos complicados que contienen conmutadores analógicos y convertidores DC-DC ascendentes / descendentes.

En cuanto a su preocupación sobre la tasa de carga mientras trabaja, el # 2 también es válido. Sin embargo, un teléfono sabe que el suministro (cargador de pared o de otro tipo) tiene capacidades limitadas, y simplemente no puede extraer más corriente de la que el cargador puede suministrar según un estándar. El IC inteligente tiene un medio especial para restringir sus necesidades actuales. La corriente de entrada se divide entre el suministro del sistema (utilizado para las funciones del teléfono) y la carga de la batería.

Una línea típica de cargadores inteligentes utilizados en dispositivos portátiles es producida por Texas Instruments (anteriormente Benchmarq), la línea BQ2xxxxx. Aquí hay un ejemplo de la arquitectura típica de bloques de BQ24296 IC

Ahora debe decidir qué tipo de profesiones de ingeniería se necesitan para hacer este tipo de circuito.

  

necesitas aplicar un voltaje más que el de la celda y en la dirección opuesta para cargarla

No, tienes que aplicar un voltaje más que el voltaje de la celda, pero en la misma dirección que el voltaje que produce la celda.

Volviendo a la pregunta de cómo se pueden usar y cargar los dispositivos al mismo tiempo.

El enfoque más simple es simplemente conectar la carga, la batería y la salida del cargador en paralelo. Si el cargador produce más corriente de la que consume el dispositivo, la corriente fluye hacia la batería. Si el cargador produce menos corriente de la que consume el dispositivo, la corriente sale de la batería.

Afaict esto es lo que hace la mayoría de los teléfonos. Aunque tiene un par de desventajas.

1. La corriente que toma el dispositivo reducirá la corriente disponible para cargar la batería. En las corrientes máximas, la batería puede incluso comenzar a descargarse con un cargador conectado.
2. El dispositivo generalmente no funcionará sin una batería conectada. Los cargadores de iones de litio deben tener protección contra subtensión por razones de seguridad. Por lo tanto, si no hay batería presente, el cargador detectará un voltaje inicial en la batería de cero y se negará a suministrar el sistema.

La otra opción es tener una ruta de bypass que omita la batería completamente. Afaict esto es lo que hacen la mayoría de las computadoras portátiles.

Tenga en cuenta que el término "cargador" en esta publicación se refiere al dispositivo que controla la tensión / corriente de carga para que la batería se cargue de manera segura. En los dispositivos con baterías de iones de litio, esto casi siempre está integrado en un dispositivo. El bloque externo al que los usuarios a menudo se refieren como un "cargador" es solo una fuente de alimentación de CC.