快充芯片江湖：TI獨(dú)占鰲頭，國(guó)產(chǎn)急起直追

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2022-03-17 08:45:59 7

手機(jī)快充，近年來(lái)發(fā)展十分迅速，尤其是國(guó)內(nèi)手機(jī)的五*，在充電的功率和速度上已經(jīng)*超越蘋果、三星，并引領(lǐng)快充芯片廠家在技術(shù)和產(chǎn)品上的不斷迭代，推陳出新。
模擬芯片國(guó)際巨頭--德州儀器，在電源管理市場(chǎng)一直是寡頭般的存在，也是業(yè)界模仿的標(biāo)桿，在手機(jī)快充市場(chǎng)也有充分的布局，但近年來(lái)，隨著國(guó)產(chǎn)充電芯片廠家的技術(shù)能力、研發(fā)實(shí)的大幅提升，并且在國(guó)際大環(huán)境的影響下、*政策的扶持下，取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，一些新興國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體公司比如南芯，希荻微等，在手機(jī)快充市場(chǎng)都有非常耀眼的表現(xiàn)。
快充，已經(jīng)成為了中高端手機(jī)的必備功能，也占據(jù)了手機(jī)成本很大的一部分。這是一個(gè)系統(tǒng)工程，有很長(zhǎng)的鏈路，包括充電頭、接口、充電線、快充芯片，電池連接器、電芯等幾個(gè)功率路徑，以及被稱作快充靈魂的通信協(xié)議。功率鏈路上每個(gè)部分都必須實(shí)現(xiàn)高效、高功率，才能使快充成為可能，不能有任何一個(gè)短板。
本文給大家?guī)?lái)手機(jī)快充方案全鏈路芯片功能模塊簡(jiǎn)介，包括充電頭、手機(jī)快充芯片、協(xié)議方案等方面。

充電頭

充電頭是整個(gè)快充鏈路的能量提供者，從最早的2.5w，發(fā)展到現(xiàn)在最高的200w，一路突飛猛進(jìn)。并且在最新Gan材料的加持下，可以將效率做的更高，體積做的更小。
下圖是一個(gè)AC/DC方案框圖，主要由原邊，副邊，協(xié)議三個(gè)控制模塊、以及變壓器、隔離反饋器件等組成。根據(jù)功率級(jí)別的不同，進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的選型，滿足不同的功率需求、客戶需求。
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AC/DC大多采用經(jīng)典的反激式架構(gòu)，在大功率下，會(huì)更多的采用軟開關(guān)、氮化鎵器件，以及PFC等技術(shù)來(lái)進(jìn)一步提高效率，進(jìn)而提高功率
我們看到的一些小型化的口紅充電頭，餅干充電頭等，就使用了比如氮化鎵MOS，平板變壓器等大量新的材料和技術(shù)。
在充電頭市場(chǎng)，之前是以國(guó)外和臺(tái)系品牌為主，國(guó)外品牌主做原副邊的比如ON，PI，Dialog（iwatt），主做協(xié)議的Infineon (Cypress)等為主；臺(tái)系主做原副邊的通嘉，昂寶，以及可以提供完整方案的立锜等。
近年來(lái)，本土國(guó)產(chǎn)廠家在AC/DC方面突破較快，比如主做原、副邊的矽力杰，杰華特，芯朋微，士蘭微等；主做協(xié)議的英集芯，智融，慧能泰等；以及以提供完整方案的上海南芯，特別一提的是南芯也擁有第三代氮化鎵的直驅(qū)完整方案。

手機(jī)內(nèi)快充芯片

手機(jī)內(nèi)的快充方案是整個(gè)充電鏈路里面最為核心的一環(huán)，其主要功能就是將從充電頭送過(guò)來(lái)的能量，進(jìn)行高效率的轉(zhuǎn)換，以電芯可以接受的方式來(lái)充電，并且還要完成一系列的檢測(cè)和保護(hù)功能。
效率，一直是制約手機(jī)快充的最大瓶頸，因?yàn)槭謾C(jī)空間很小，又要考慮用戶體驗(yàn)，所以發(fā)熱是一個(gè)非常頭痛的問(wèn)題。
手機(jī)內(nèi)充電架構(gòu)截止目前，經(jīng)歷了三代發(fā)展：

線性充電
開關(guān)充電
電荷泵充電

線性充電在智能手機(jī)上已經(jīng)完全退出，只有超低端的功能機(jī)還有在用。
開關(guān)充電是目前手機(jī)的主流，效率一般在88%-92%之間，做18w左右的充電功率等級(jí)，比如TI的BQ2560x就是通用的主charger，可以完成pre-charger，最大18w的恒流階段，以及end charger的完整充電流程。
在手機(jī)內(nèi)，主charger一般都會(huì)集成在平臺(tái)的PMI內(nèi)部，一些廠家會(huì)外加一個(gè)開關(guān)充電芯片來(lái)分散熱量，實(shí)現(xiàn)更好的用戶體驗(yàn)。
一些特別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，這是一款針對(duì)雙串電池的升降壓充電方案，可以做到最高95%左右的效率。
開關(guān)充電屬于第二代充電方案，但其依然具有很強(qiáng)的技術(shù)難度，能做好的國(guó)產(chǎn)廠家不多，目前主要還是手機(jī)平臺(tái)和TI占*的主力，國(guó)產(chǎn)主要以矽力杰，圣邦微，南芯為主。
電荷泵充電，是當(dāng)前中高端手機(jī)快充的*解決方案，具有超高的效率，一般會(huì)在97%左右，是作為恒流充電過(guò)程的輔助充電方案。
電荷泵學(xué)名“高壓直充”，提到直充，不得不提到國(guó)內(nèi)電源領(lǐng)域的先行者，OPPO的“低壓直充”技術(shù)，“高壓直充”正是在此技術(shù)上演進(jìn)而來(lái)。
電荷泵charger一般是按照電壓比例來(lái)工作，比如經(jīng)典的2:1，高功率的4:2，4:1，超高電壓的6:2等。
2:1 產(chǎn)品主要應(yīng)用于是30-50w的中等充電功率等級(jí)；4:2 主要用于大功率的雙串電池方案；而最新的4:1架構(gòu)，則是用于大功率的1S電池架構(gòu)當(dāng)中，這也得益于電芯充電倍率的長(zhǎng)足發(fā)展。
從最早的ON，Dialog，TI推出電荷泵產(chǎn)品之后，國(guó)產(chǎn)的手機(jī)廠家立刻就嗅到了一場(chǎng)巨大變革的味道，同時(shí)，很多國(guó)產(chǎn)芯片廠家也在積極跟進(jìn)，甚至在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了某種程度的超越。
國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體*顆量產(chǎn)電荷泵，是希荻微的一顆4:2 電荷泵芯片，用于單純的電壓轉(zhuǎn)換；但*個(gè)量產(chǎn)電荷泵charger芯片的廠家，是上海南芯的SC8551，兼容業(yè)界經(jīng)典的BQ25970。
除了平臺(tái)之外，目前也有幾個(gè)廠家已經(jīng)推出了多款電荷泵產(chǎn)品，國(guó)外品牌比如：

TI： 2:1、4:2的charger
Lion： 2:1 charger；4:2 converter；6:2 converter （剛被Cirrus logic收購(gòu)）
Maxim: 2:1 converter

國(guó)產(chǎn)品牌有：

南芯： 2:1 charger（30w/40w）；2:1 charger 帶協(xié)議；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
芯邁： 2:1 charger；（原Silicon Mitus，今年被國(guó)有資本收購(gòu)）
圣邦威： 2:1 charger；

電荷泵charger是直接給電池提供大功率充電，所以安全性要求非常高，品牌手機(jī)廠家的導(dǎo)入非常謹(jǐn)慎，目前除了平臺(tái)以及TI之外，國(guó)產(chǎn)廠家只有南芯的產(chǎn)品有大量的出貨，在近期的一些拆解報(bào)告上，可以看到南芯的多款電荷泵新品在多個(gè)品牌手機(jī)上都有應(yīng)用。由于該產(chǎn)品的特殊性，頭部廠家會(huì)強(qiáng)者恒強(qiáng)，后來(lái)者的機(jī)會(huì)已經(jīng)不大。
下圖是手機(jī)內(nèi)快充的方案框圖，其中也包括充電協(xié)議芯片方案。
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充電協(xié)議

協(xié)議是快充的靈魂。在整個(gè)快充過(guò)程中，手機(jī)系統(tǒng)和充電頭要實(shí)時(shí)進(jìn)行通信，進(jìn)行電壓/電流的*調(diào)整和實(shí)時(shí)監(jiān)控，才能實(shí)現(xiàn)電荷泵的快充過(guò)程。
目前各大手機(jī)品牌都有自己的私有協(xié)議，比如：

小米基于CC的私有協(xié)議；
華為/榮耀的SCP；
OPPO的VOOC；
VIVO的Flash charger；
傳音的I2C私有協(xié)議等。

手機(jī)平臺(tái)也擁有自己協(xié)議方案，比如：

高通的QC系列
MTK的PE

當(dāng)然也有專門的協(xié)議聯(lián)盟，比如：

美國(guó)USB-IF的PD；
國(guó)內(nèi)綠色聯(lián)盟的UFCS。

手機(jī)內(nèi)的協(xié)議芯片大部分是通過(guò)平臺(tái)或者M(jìn)CU來(lái)實(shí)現(xiàn)，也有一些特別的場(chǎng)合需要定制，比如英集芯，偉詮的QC協(xié)議芯片，立锜的PD phy等。
將來(lái)普遍被看好的中國(guó)自己的互融互通協(xié)議--UFCS，各大廠家也都有計(jì)劃支持，除了上訴幾個(gè)廠家之外，矽力杰，南芯，瑞芯微，昂寶，芯朋微等也在該聯(lián)盟內(nèi)，積極參與UFCS協(xié)議的制定和芯片的開發(fā)。從長(zhǎng)期的趨勢(shì)來(lái)看，各種協(xié)議必將會(huì)歸為統(tǒng)一，并被整合在平臺(tái)當(dāng)中。
協(xié)議芯片需要配套存在于手機(jī)和充電頭，手機(jī)內(nèi)部協(xié)議芯片請(qǐng)參見(jiàn)上一個(gè)章節(jié)的框圖，下面是充電頭內(nèi)協(xié)議芯片的基本應(yīng)用圖。
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接口和線纜

不僅僅是充電鏈路上的各個(gè)芯片模塊需要基于快充的需求進(jìn)行升級(jí)，接口、線纜也需要特別處理，以便降低阻抗和發(fā)熱，
入門級(jí)的快充一般定義為30w(或22.5w)，因?yàn)槌杀咀畹汀Ｔ摴β实燃?jí)很大程度上是基于標(biāo)準(zhǔn)線纜的3A的通流能力來(lái)定義的。
手機(jī)的充電接口基本上都已經(jīng)統(tǒng)一為C口，線纜主要分為A to C和C to C兩類。超過(guò)6A通流能力的線纜已經(jīng)成為了大功率充電手機(jī)的標(biāo)配，但線纜內(nèi)部需要有e-mark去做通流能力的識(shí)別。我們勤勞勇敢的中國(guó)人甚至發(fā)明了可以多一個(gè)CC引腳的A轉(zhuǎn)C口線纜，給本已絢爛多彩的快充方案有增添了一絲波瀾。

結(jié)語(yǔ)

下圖是一張完整有線充電端到端的架構(gòu)圖，各個(gè)模塊清晰可見(jiàn)，一目了然，作為本文技術(shù)架構(gòu)部分的小結(jié)
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本文概括性的介紹了手機(jī)快充全鏈路上的芯片方案，很多國(guó)產(chǎn)廠家在此已經(jīng)深入布局，并已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。同時(shí)我們也看到，大部分廠家目前還只是專注與快充鏈路上的某一個(gè)領(lǐng)域，只有極少數(shù)公司才有能力去做手機(jī)快充全鏈路上的完整方案。從目前的快充格局上來(lái)看，高通、TI、南芯等為數(shù)不多的幾家具有強(qiáng)大的影響力和實(shí)力的公司，才會(huì)成為該領(lǐng)域最大的贏家。
下表列出手機(jī)快充各個(gè)功能模塊的一些代表廠家，

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近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體飛速發(fā)展，一方面是技術(shù)能力已經(jīng)逐漸成熟，另一方面也是*政策的鼎力支持，以及手機(jī)廠家的大力提攜，很多半導(dǎo)體廠家如雨后春筍一般涌出。這當(dāng)然是很好的現(xiàn)象，但要做大做強(qiáng)，必須要有一定的規(guī)模，以及*的產(chǎn)品線布局，比如國(guó)產(chǎn)的矽力杰、圣邦威、南芯這樣的公司，才會(huì)在這樣一個(gè)時(shí)代潮流的加持下，走的更高，走的更遠(yuǎn)。

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