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手机快充全链路及电荷泵充电方案

时间:2021-07-16 作者:梁古金 阅读:
快充,已经成为了中高端手机的必备功能,也占据了手机成本很大的一部分。这是一个系统工程,有很长的链路,包括充电头、接口、充电线、快充芯片,电池连接器、电芯等几个功率路径,以及被称作快充灵魂的通信协议。功率链路上每个部分都必须实现高效、高功率,才能使快充成为可能,不能有任何一个短板。本文给大家带来手机快充方案全链路芯片功能模块简介,包括充电头、手机快充芯片、协议方案等方面。
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手机快充,近年来发展十分迅速,尤其是国内手机的五大品牌,在充电的功率和速度上已经全面超越苹果、三星,并引领快充芯片厂家在技术和产品上的不断迭代,推陈出新。

模拟芯片国际巨头--德州仪器,在电源管理市场一直是寡头般的存在,也是业界模仿的标杆,在手机快充市场也有充分的布局,但近年来,随着国产充电芯片厂家的技术能力、研发实的大幅提升,并且在国际大环境的影响下、国家政策的扶持下,取得了长足的发展,一些新兴国产半导体公司比如 南芯,希荻微等,在手机快充市场都有非常耀眼的表现。

快充,已经成为了中高端手机的必备功能,也占据了手机成本很大的一部分。这是一个系统工程,有很长的链路,包括充电头、接口、充电线、快充芯片,电池连接器、电芯等几个功率路径,以及被称作快充灵魂的通信协议。功率链路上每个部分都必须实现高效、高功率,才能使快充成为可能,不能有任何一个短板。

本文给大家带来手机快充方案全链路芯片功能模块简介,包括充电头、手机快充芯片、协议方案等方面。

充电头

充电头是整个快充链路的能量提供者,从最早的2.5w,发展到现在最高的200w,一路突飞猛进。并且在最新Gan材料的加持下,可以将效率做的更高,体积做的更小。

下图是一个AC/DC方案框图,主要由原边,副边,协议三个控制模块、以及变压器、隔离反馈器件等组成。根据功率级别的不同,进行相对应的选型,满足不同的功率需求、客户需求。

AC/DC大多采用经典的反激式架构,在大功率下,会更多的采用软开关、氮化镓器件,以及PFC等技术来进一步提高效率,进而提高功率。

我们看到的一些小型化的口红充电头,饼干充电头等,就使用了比如氮化镓MOS,平板变压器等大量新的材料和技术。

在充电头市场,之前是以国外和台系品牌为主,国外品牌主做原副边的比如ON,PI,Dialog(iwatt),主做协议的Infineon (Cypress)等为主;台系主做原副边的通嘉,昂宝,以及可以提供完整方案的立锜等。

近年来,本土国产厂家在AC/DC方面突破较快,比如主做原、副边的矽力杰,杰华特,芯朋微,士兰微等;主做协议的英集芯,智融,慧能泰等; 以及以提供完整方案的上海南芯,特别一提的是南芯也拥有第三代氮化镓的直驱完整方案。

手机内快充芯片

手机内的快充方案是整个充电链路里面最为核心的一环,其主要功能就是将从充电头送过来的能量,进行高效率的转换,以电芯可以接受的方式来充电,并且还要完成一系列的检测和保护功能。

效率,一直是制约手机快充的最大瓶颈,因为手机空间很小,又要考虑用户体验,所以发热是一个非常头痛的问题。

手机内充电架构截止目前,经历了三代发展:

●线性充电

●开关充电

●电荷泵充电

 线性充电在智能手机上已经完全退出,只有超低端的功能机还有在用。

开关充电是目前手机的主流,效率一般在88%-92%之间,做18w左右的充电功率等级,比如TI的BQ2560x就是通用的主charger, 可以完成pre-charger,最大18w的恒流阶段,以及end charger的完整充电流程。

在手机内,主charger一般都会集成在平台的PMI内部,一些厂家会外加一个开关充电芯片来分散热量,实现更好的用户体验。

一些特别方案可以做到更高的效率,比如MPS的MP2762和TI的BQ25790,以及南芯的SC8982,这是一款针对双串电池的升降压充电方案,可以做到最高95%左右的效率。

开关充电属于第二代充电方案,但其依然具有很强的技术难度,能做好的国产厂家不多,目前主要还是手机平台和TI占绝对的主力,国产主要以矽力杰,圣邦微,南芯为主。

电荷泵充电,是当前中高端手机快充的唯一解决方案,具有超高的效率,一般会在97%左右,是作为恒流充电过程的辅助充电方案。

电荷泵学名“高压直充”,提到直充,不得不提到国内电源领域的先行者,OPPO的“低压直充”技术,“高压直充”正是在此技术上演进而来。

电荷泵charger一般是按照电压比例来工作,比如经典的2:1,高功率的4:2,4:1,超高电压的6:2等。

2:1 产品主要应用于是30-50w的中等充电功率等级;4:2 主要用于大功率的双串电池方案;而最新的4:1架构,则是用于大功率的1S电池架构当中,这也得益于电芯充电倍率的长足发展。

从最早的ON,Dialog,TI推出电荷泵产品之后,国产的手机厂家立刻就嗅到了一场巨大变革的味道,同时,很多国产芯片厂家也在积极跟进,甚至在短时间内实现了某种程度的超越。

国产半导体第一颗量产电荷泵,是希荻微的一颗4:2 电荷泵芯片,用于单纯的电压转换;但第一个量产电荷泵charger芯片的厂家,是上海南芯的SC8551,兼容业界经典的BQ25970。

除了平台之外,目前也有几个厂家已经推出了多款电荷泵产品,国外品牌比如:

●TI: 2:1、4:2的charger

●Lion: 2:1 charger;4:2 converter;6:2 converter (刚被Cirrus logic收购)

●Maxim: 2:1 converter

国产品牌有:

●南芯: 2:1 charger(30w/40w);2:1 charger 带协议;2:1 converter; 4:2 converter;4:2 charger;4:1 charger;6:2 converter;

●希荻微: 2:1 charger;4:2 converter

●矽力杰: 2:1 charger;4:2 Charger

●芯迈: 2:1 charger;(原Silicon Mitus,今年被国有资本收购)

●圣邦威: 2:1 charger;

电荷泵charger是直接给电池提供大功率充电,所以安全性要求非常高,品牌手机厂家的导入非常谨慎,目前除了平台以及TI之外,国产厂家只有南芯的产品有大量的出货,在近期的一些拆解报告上,可以看到南芯的多款电荷泵新品在多个品牌手机上都有应用。由于该产品的特殊性,头部厂家会强者恒强,后来者的机会已经不大。

下图是手机内快充的方案框图,其中也包括充电协议芯片方案。

充电协议

协议是快充的灵魂。在整个快充过程中,手机系统和充电头要实时进行通信,进行电压/电流的精准调整和实时监控,才能实现电荷泵的快充过程。

目前各大手机品牌都有自己的私有协议,比如:

●小米基于CC的私有协议;

●华为/荣耀的SCP;

●OPPO的VOOC;

●VIVO的Flash charger;

●传音的I2C私有协议等。

手机平台也拥有自己协议方案,比如:

●高通的QC系列

●MTK的PE

当然也有专门的协议联盟,比如:

●美国USB-IF的PD;

●国内绿色联盟的UFCS。

手机内的协议芯片大部分是通过平台或者MCU来实现,也有一些特别的场合需要定制,比如英集芯,伟诠的QC协议芯片,立锜的PD phy等。

将来普遍被看好的中国自己的互融互通协议--UFCS,各大厂家也都有计划支持,除了上诉几个厂家之外,矽力杰,南芯,瑞芯微,昂宝,芯朋微等也在该联盟内,积极参与UFCS协议的制定和芯片的开发。从长期的趋势来看,各种协议必将会归为统一,并被整合在平台当中。

协议芯片需要配套存在于手机和充电头,手机内部协议芯片请参见上一个章节的框图,下面是充电头内协议芯片的基本应用图。

接口和线缆

不仅仅是充电链路上的各个芯片模块需要基于快充的需求进行升级,接口、线缆也需要特别处理,以便降低阻抗和发热,

入门级的快充一般定义为30w(或22.5w),因为成本最低。该功率等级很大程度上是基于标准线缆的3A的通流能力来定义的。

手机的充电接口基本上都已经统一为C口,线缆主要分为A to C和C to C两类。超过6A通流能力的线缆已经成为了大功率充电手机的标配,但线缆内部需要有e-mark去做通流能力的识别。我们勤劳勇敢的中国人甚至发明了可以多一个CC引脚的A转C口线缆,给本已绚烂多彩的快充方案有增添了一丝波澜。

结语

下图是一张完整有线充电端到端的架构图,各个模块清晰可见,一目了然,作为本文技术架构部分的小结。

本文概括性的介绍了手机快充全链路上的芯片方案,很多国产厂家在此已经深入布局,并已经取得了长足的发展。同时我们也看到,大部分厂家目前还只是专注与快充链路上的某一个领域,只有极少数公司才有能力去做手机快充全链路上的完整方案。从目前的快充格局上来看,高通、TI、南芯等为数不多的几家具有强大的影响力和实力的公司,才会成为该领域最大的赢家。

下表列出手机快充各个功能模块的一些代表厂家:

 

  AC/DC充电器 协议 手机内快充
外资 ON Infineon (Cypress) TI
  PI Dialog (iwatt) Qualcomm
  Dialog (iwatt)   Lion
      Maxim
      MPS
 
台湾/大陆 南芯 南芯 南芯
  矽力杰 英集芯 矽力杰
  通嘉 立锜 圣邦微
  昂宝 智融 希荻微
  立锜 瑞芯微 芯迈
  芯朋微 伟诠  
  杰华特    

近年来,国产半导体飞速发展,一方面是技术能力已经逐渐成熟,另一方面也是国家政策的鼎力支持,以及手机厂家的大力提携,很多半导体厂家如雨后春笋一般涌出。这当然是很好的现象,但要做大做强,必须要有一定的规模,以及全面的产品线布局,比如国产的矽力杰、圣邦威、南芯这样的公司,才会在这样一个时代潮流的加持下,走的更高,走的更远。

作者:梁古金,独立撰稿人,电源和快充行业研究员,从事电源管理行业十余年。

责编:Amy Guan

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