南芯SC8551―國內(nèi)首款高壓電荷泵充電IC，充電效率高達(dá)98%

隨著4G網(wǎng)絡(luò)普及、5G時(shí)代的到來，手機(jī)的電池容量越來越大，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)間越來越長，無法滿足日常所需。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題，低壓快充需要專門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

電荷泵是一種無電感式DC-DC轉(zhuǎn)換器，利用電容作為儲能元件來進(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，所以相對于低壓直充方案，線材和接口的成本可以大大降低。

可見，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

SC8551是南芯針對手機(jī)快充市場最新推出的電荷泵快充IC。作為國內(nèi)首款高壓電荷泵快充IC，SC8551還開創(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外的同類產(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)部開關(guān)管Q1-Q8始終處于交替開關(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)部開關(guān)管Q1/Q2/Q5/Q6始終導(dǎo)通，開關(guān)管Q3/Q4/Q7/Q8始終關(guān)閉。此時(shí)相當(dāng)于適配器經(jīng)過幾個(gè)串并聯(lián)的開關(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。相較于國外同類產(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，以確保充電過程安全可靠。保護(hù)機(jī)制可以分為三類：12重系統(tǒng)級保護(hù)、7重電荷泵相關(guān)保護(hù)以及7重系統(tǒng)級報(bào)警。其中，系統(tǒng)級保護(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、汽車等消費(fèi)電子品和充電外設(shè)產(chǎn)品。南芯目前又推出國內(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等國內(nèi)外知名品牌的產(chǎn)品中頻頻亮相，銷售額持續(xù)快速增長。

2018年1月，南芯半導(dǎo)體宣布完成數(shù)千萬人民幣的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，是國產(chǎn)模擬芯片替代浪潮中的開拓者，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“高端中國芯”的領(lǐng)軍品牌形象。