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手机快充方案全链路芯片有哪些功能模块?由哪些芯片公司提供?

2021-07-20 充电头网 阅读:
快充有很长的链路,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。本文给大家带来手机快充方案全链路芯片功能模块简介以及涉及的公司。

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。Ifoednc

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。Ifoednc

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。Ifoednc

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。Ifoednc

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。Ifoednc

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。Ifoednc

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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。Ifoednc

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。Ifoednc

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。Ifoednc

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。Ifoednc

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。Ifoednc

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。Ifoednc

手机内充电架构截止目前,经历了三代发展:Ifoednc

  • 线性充电Ifoednc

  • 开关充电Ifoednc

  • 电荷泵充电Ifoednc

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。Ifoednc

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。Ifoednc

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。Ifoednc

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。Ifoednc

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。Ifoednc

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。Ifoednc

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。Ifoednc

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。Ifoednc

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。Ifoednc

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。Ifoednc

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。Ifoednc

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:Ifoednc

  • TI:2:1、4:2的chargerIfoednc

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

  • Maxim: 2:1 converterIfoednc

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国产品牌有:Ifoednc

  • 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;Ifoednc

  • 希荻微:2:1 charger;4:2 converterIfoednc

  • 矽力杰:2:1 charger;4:2 ChargerIfoednc

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

  • 圣邦威:2:1 charger;Ifoednc

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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。Ifoednc

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。Ifoednc

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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。Ifoednc

目前各大手机品牌都有自己的私有协议,比如:Ifoednc

  • 小米基于CC的私有协议;Ifoednc

  • 华为/荣耀的SCP;Ifoednc

  • OPPO的VOOC;Ifoednc

  • VIVO的Flash charger;Ifoednc

  • 传音的I2C私有协议等。Ifoednc

手机平台也拥有自己协议方案,比如:Ifoednc

  • 高通的QC系列Ifoednc

  • MTK的PEIfoednc

当然也有专门的协议联盟,比如:Ifoednc

  • 美国USB-IF的PD;Ifoednc

  • 国内绿色联盟的UFCS。Ifoednc

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。Ifoednc

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。Ifoednc

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。Ifoednc

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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,Ifoednc

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。Ifoednc

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。Ifoednc

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Ifoednc

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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。Ifoednc

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。Ifoednc

下表列出手机快充各个功能模块的一些代表厂家:Ifoednc

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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。Ifoednc

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。Ifoednc

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