1. 引言
隨著4G網(wǎng)絡(luò)普及,、5G時(shí)代的到來(lái),，手機(jī)的電池容量越來(lái)越大,，以便滿足移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等各種應(yīng)用高耗能的需求,。使用傳統(tǒng)充電技術(shù),，充電時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng),，無(wú)法滿足日常所需,。快充技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,，可以讓人們利用碎片時(shí)間迅速使電量恢復(fù),，逐漸成為越來(lái)越多手機(jī)的標(biāo)配,。
快充有兩種不同的技術(shù)路線：高壓小電流快充和低壓大電流快充。高壓快充的代表是高通,。高通在2014年前后率先推出的QC2.0將充電電壓從傳統(tǒng)的5V提高到9V/12V,，充電功率提高到18W。然而,，高壓快充存在一個(gè)難以克服的不足-充電IC發(fā)熱嚴(yán)重,。適配器輸出的9V/12V電壓進(jìn)入手機(jī)后會(huì)被手機(jī)內(nèi)部的buck charger進(jìn)行二次降壓再給電池充電，傳統(tǒng)的buck變換器由于在高壓輸入條件下轉(zhuǎn)換效率低,，造成芯片發(fā)熱非常嚴(yán)重,，功率無(wú)法進(jìn)一步提升。
低壓直充的技術(shù)路線代表是OPPO和HUAWEI,。OPPO在2014年推出了VOOC閃充22.5W(5V/4.5A)低壓快充技術(shù),。由于低壓快充不需要中間級(jí)的電壓變換，實(shí)現(xiàn)真正適配器給電池“直充”,，所以很好地解決了充電IC發(fā)熱的問(wèn)題,。然而，為了解決MicroB接口通流能力小,、傳統(tǒng)充電線材電阻大等問(wèn)題,，低壓快充需要專(zhuān)門(mén)定制充電接口和充電線，成本高于高壓快充方案,。
2. 電荷泵快充
電荷泵是一種無(wú)電感式DC-DC轉(zhuǎn)換器,，利用電容作為儲(chǔ)能元件來(lái)進(jìn)行電壓電流的變換。半壓電荷泵(2:1 charge pump) 可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓減半,、輸出電流加倍,，同時(shí)轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到97%以上，遠(yuǎn)高于普通的充電IC,，從而很好地解決了高壓快充時(shí)充電IC發(fā)熱的問(wèn)題,。此外，由于電荷泵可以天然實(shí)現(xiàn)輸入電流是輸出電流一半的效果,，所以相對(duì)于低壓直充方案,，線材和接口的成本可以大大降低。
可見(jiàn),，電荷泵快充可以完美化解高壓和大電流之間的矛盾,，突破手機(jī)快充的極限。
圖1. SC8551典型應(yīng)用圖
3. SC8551:兼容電荷泵快充和低壓直充
SC8551是南芯針對(duì)手機(jī)快充市場(chǎng)最新推出的電荷泵快充IC,。作為國(guó)內(nèi)首款高壓電荷泵快充IC,，SC8551還開(kāi)創(chuàng)實(shí)現(xiàn)了高壓快充和低壓直充雙模式充電功能。SC8551采用56pin的CSP封裝,，芯片尺寸為3.32mm*3.35mm,。圖1為SC8551的典型應(yīng)用圖,，在充電過(guò)程中，SC8551作為主從充電架構(gòu)中的從充電IC,，在手機(jī)進(jìn)入快充階段后開(kāi)始工作,，其主要特點(diǎn)如下：
1. 雙模式：具有電荷泵2:1降壓充電和bypass充電兩種模式
2. 效率高：在6A以上充電電流條件下相較于國(guó)外的同類(lèi)產(chǎn)品效率提高0.4%
3. 完善的保護(hù)機(jī)制：26重保護(hù)確保充電安全可靠
a) 雙模式
SC8551同時(shí)支持電荷泵2:1降壓充電模式和低壓直充模式。如圖2(a)所示,，當(dāng)工作在電荷泵充電模式時(shí),，芯片內(nèi)部開(kāi)關(guān)管Q1-Q8始終處于交替開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，外圍的飛電容CFLY1/2處于交替充放電的狀態(tài),，將輸入適配器的能量搬移到電池中,。穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，輸入電壓略高于兩倍電池電壓,，充電電流最大可以支持到8A,。
當(dāng)SC8551工作在bypass模式時(shí),，如圖2(b)所示,，芯片內(nèi)部開(kāi)關(guān)管Q1/Q2/Q5/Q6始終導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管Q3/Q4/Q7/Q8始終關(guān)閉,。此時(shí)相當(dāng)于適配器經(jīng)過(guò)幾個(gè)串并聯(lián)的開(kāi)關(guān)管直接給電池充電,，只要從VBUS到VOUT的等效電阻足夠小，芯片的溫升就可以控制地很低,。SC8551在bypass模式下支持的最大充電電流為6A,。
(a)高壓電荷泵快充模式
(b)低壓直充模式
圖2. SC8551在不同工作模式下的原理示意圖
b) 高效率
考慮到電荷泵快充IC的應(yīng)用主要是在大電流情況下，所以SC8551重點(diǎn)優(yōu)化了6A以上充電電流的效率,。相較于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品,，重載下的效率提高了0.4%左右。圖3為SC8551在不同頻率下的效率曲線,，從圖中可以看出,，即使充電電流達(dá)到8A，SC8551的充電效率依然在96%以上,。
圖3. SC8551工作在電荷泵模式下的效率曲線
圖4為SC8551在bypass模式下從VBUS到VOUT的等效導(dǎo)通電阻曲線,。從圖中可以看出，等效電阻約為18mohm,。隨著充電電流增大,，等效電阻略有增加。
圖4. SC8551工作在bypass模式下的導(dǎo)通電阻曲線
圖5為SC8551工作在不同模式下的溫升示意圖,。圖5(a)為電荷泵模式下8A充電電流時(shí)的溫升示意圖,。從圖中可以看出，芯片表面的溫升大約為59.6-25=34.6℃(環(huán)境溫度約為25℃),。 圖5(b)為低壓直充模式下6A充電電流時(shí)的溫升示意圖,，芯片表面的溫升大約為44.5-25=19.5℃,。
(a)電荷泵模式，VBAT=4.4V,，IBAT=8A
(b)低壓直充模式,，VBAT=4.4V，IBAT=6A
圖5. SC8551工作在不同模式下的溫升示意圖
c) 完善的保護(hù)機(jī)制
SC8551內(nèi)部集成了26重不同的保護(hù)機(jī)制,，以確保充電過(guò)程安全可靠,。保護(hù)機(jī)制可以分為三類(lèi)：12重系統(tǒng)級(jí)保護(hù)、7重電荷泵相關(guān)保護(hù)以及7重系統(tǒng)級(jí)報(bào)警,。其中,，系統(tǒng)級(jí)保護(hù)和電荷泵相關(guān)保護(hù)觸發(fā)后，SC8551會(huì)停止充電,，同時(shí)出INT中斷,。系統(tǒng)級(jí)報(bào)警觸發(fā)后，同樣會(huì)出INT中斷,，但是充電不會(huì)停止,。
4. 結(jié)論
SC8551是國(guó)內(nèi)首款高壓電荷泵快充IC，兼容電荷泵快充和低壓直充功能,。其在電荷泵快充模式下的最大充電電流達(dá)到8A,，在低壓直充模式下的電流達(dá)到6A。憑借優(yōu)異的重載效率表現(xiàn)以及全方位的保護(hù)機(jī)制,，使得SC8551非常適合應(yīng)用在手機(jī)大功率充電方案中,。
5. 關(guān)于南芯
上海南芯半導(dǎo)體科技有限公司，于2015年底成立于上海浦東張江高科技園區(qū),。南芯的初創(chuàng)團(tuán)隊(duì)來(lái)自Texas Instruments ,，擁有10年以上行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，深耕電源領(lǐng)域,，搭檔多年,，配合默契。隨著公司發(fā)展,，南芯持續(xù)引進(jìn)優(yōu)秀人才,，打造高質(zhì)量的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，目前擁有來(lái)自德州儀器,、凌特,、立?、ADI,、Rohm,、O2等知名半導(dǎo)體公司的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，并秉承不斷創(chuàng)新的產(chǎn)品文化,，致力于為業(yè)內(nèi)提供高性能,、高品質(zhì)與高經(jīng)濟(jì)效益的IC解決方案,。
南芯在快速充電和電源管理芯片領(lǐng)域的研發(fā)上一直領(lǐng)軍國(guó)內(nèi)同行，曾經(jīng)推出了業(yè)界首顆buck-boost升降壓電池充電管理IC,，可以實(shí)現(xiàn)2.7~40V范圍內(nèi)高達(dá)100W功率的雙向智能充放電,，高效支持USB PD大功率充放電應(yīng)用，顯著降低充電所需時(shí)間,，可以廣泛應(yīng)用于智能手機(jī),、PAD、電視,、筆記本,、汽車(chē)等消費(fèi)電子品和充電外設(shè)產(chǎn)品。南芯目前又推出國(guó)內(nèi)首款兼容電荷泵快充和低壓直充的充電IC,。南芯的IC產(chǎn)品憑借其優(yōu)秀的性能,，已在華為、三星,、小米,、Anker等國(guó)內(nèi)外知名品牌的產(chǎn)品中頻頻亮相，銷(xiāo)售額持續(xù)快速增長(zhǎng),。
2018年1月,，南芯半導(dǎo)體宣布完成數(shù)千萬(wàn)人民幣的A輪融資,。2019年4月,，南芯半導(dǎo)體再次宣布完成近億元人民幣的B輪融資，并由上海集成電路產(chǎn)業(yè)基金領(lǐng)投,。南芯不斷探索研發(fā)高端芯片,，具有很強(qiáng)的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，是國(guó)產(chǎn)模擬芯片替代浪潮中的開(kāi)拓者,，并憑借其扎實(shí)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)積累,，建立了技術(shù)領(lǐng)先、品質(zhì)優(yōu)異,、產(chǎn)品性價(jià)比高的“高端中國(guó)芯”的領(lǐng)軍品牌形象,。