快充芯片江湖：TI獨占鰲頭，國產急起直追

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2022-03-17 08:45:59 4

手機快充，近年來發展十分迅速，尤其是國內手機的五*，在充電的功率和速度上已經*超越蘋果、三星，并引領快充芯片廠家在技術和產品上的不斷迭代，推陳出新。
模擬芯片國際巨頭--德州儀器，在電源管理市場一直是寡頭般的存在，也是業界模仿的標桿，在手機快充市場也有充分的布局，但近年來，隨著國產充電芯片廠家的技術能力、研發實的大幅提升，并且在國際大環境的影響下、*政策的扶持下，取得了長足的發展，一些新興國產半導體公司比如南芯，希荻微等，在手機快充市場都有非常耀眼的表現。
快充，已經成為了中高端手機的必備功能，也占據了手機成本很大的一部分。這是一個系統工程，有很長的鏈路，包括充電頭、接口、充電線、快充芯片，電池連接器、電芯等幾個功率路徑，以及被稱作快充靈魂的通信協議。功率鏈路上每個部分都必須實現高效、高功率，才能使快充成為可能，不能有任何一個短板。
本文給大家帶來手機快充方案全鏈路芯片功能模塊簡介，包括充電頭、手機快充芯片、協議方案等方面。

充電頭

充電頭是整個快充鏈路的能量提供者，從最早的2.5w，發展到現在最高的200w，一路突飛猛進。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AC/DC方案框圖，主要由原邊，副邊，協議三個控制模塊、以及變壓器、隔離反饋器件等組成。根據功率級別的不同，進行相對應的選型，滿足不同的功率需求、客戶需求。
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AC/DC大多采用經典的反激式架構，在大功率下，會更多的采用軟開關、氮化鎵器件，以及PFC等技術來進一步提高效率，進而提高功率
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。
在充電頭市場，之前是以國外和臺系品牌為主，國外品牌主做原副邊的比如ON，PI，Dialog（iwatt），主做協議的Infineon (Cypress)等為主；臺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，本土國產廠家在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完整方案。

手機內快充芯片

手機內的快充方案是整個充電鏈路里面最為核心的一環，其主要功能就是將從充電頭送過來的能量，進行高效率的轉換，以電芯可以接受的方式來充電，并且還要完成一系列的檢測和保護功能。
效率，一直是制約手機快充的最大瓶頸，因為手機空間很小，又要考慮用戶體驗，所以發熱是一個非常頭痛的問題。
手機內充電架構截止目前，經歷了三代發展：

線性充電
開關充電
電荷泵充電

線性充電在智能手機上已經完全退出，只有超低端的功能機還有在用。
開關充電是目前手機的主流，效率一般在88%-92%之間，做18w左右的充電功率等級，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。
在手機內，主charger一般都會集成在平臺的PMI內部，一些廠家會外加一個開關充電芯片來分散熱量，實現更好的用戶體驗。
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。
開關充電屬于第二代充電方案，但其依然具有很強的技術難度，能做好的國產廠家不多，目前主要還是手機平臺和TI占*的主力，國產主要以矽力杰，圣邦微，南芯為主。
電荷泵充電，是當前中高端手機快充的*解決方案，具有超高的效率，一般會在97%左右，是作為恒流充電過程的輔助充電方案。
電荷泵學名“高壓直充”，提到直充，不得不提到國內電源領域的先行者，OPPO的“低壓直充”技術，“高壓直充”正是在此技術上演進而來。
電荷泵charger一般是按照電壓比例來工作，比如經典的2:1，高功率的4:2，4:1，超高電壓的6:2等。
2:1 產品主要應用于是30-50w的中等充電功率等級；4:2 主要用于大功率的雙串電池方案；而最新的4:1架構，則是用于大功率的1S電池架構當中，這也得益于電芯充電倍率的長足發展。
從最早的ON，Dialog，TI推出電荷泵產品之后，國產的手機廠家立刻就嗅到了一場巨大變革的味道，同時，很多國產芯片廠家也在積極跟進，甚至在短時間內實現了某種程度的超越。
國產半導體*顆量產電荷泵，是希荻微的一顆4:2 電荷泵芯片，用于單純的電壓轉換；但*個量產電荷泵charger芯片的廠家，是上海南芯的SC8551，兼容業界經典的BQ25970。
除了平臺之外，目前也有幾個廠家已經推出了多款電荷泵產品，國外品牌比如：

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

國產品牌有：

南芯： 2:1 charger（30w/40w）；2:1 charger 帶協議；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，今年被國有資本收購）
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，品牌手機廠家的導入非常謹慎，目前除了平臺以及TI之外，國產廠家只有南芯的產品有大量的出貨，在近期的一些拆解報告上，可以看到南芯的多款電荷泵新品在多個品牌手機上都有應用。由于該產品的特殊性，頭部廠家會強者恒強，后來者的機會已經不大。
下圖是手機內快充的方案框圖，其中也包括充電協議芯片方案。
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充電協議

協議是快充的靈魂。在整個快充過程中，手機系統和充電頭要實時進行通信，進行電壓/電流的*調整和實時監控，才能實現電荷泵的快充過程。
目前各大手機品牌都有自己的私有協議，比如：

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

手機平臺也擁有自己協議方案，比如：

高通的QC系列
MTK的PE

當然也有專門的協議聯盟，比如：

美國USB-IF的PD；
國內綠色聯盟的UFCS。

手機內的協議芯片大部分是通過平臺或者MCU來實現，也有一些特別的場合需要定制，比如英集芯，偉詮的QC協議芯片，立锜的PD phy等。
將來普遍被看好的中國自己的互融互通協議--UFCS，各大廠家也都有計劃支持，除了上訴幾個廠家之外，矽力杰，南芯，瑞芯微，昂寶，芯朋微等也在該聯盟內，積極參與UFCS協議的制定和芯片的開發。從長期的趨勢來看，各種協議必將會歸為統一，并被整合在平臺當中。
協議芯片需要配套存在于手機和充電頭，手機內部協議芯片請參見上一個章節的框圖，下面是充電頭內協議芯片的基本應用圖。
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接口和線纜

不僅僅是充電鏈路上的各個芯片模塊需要基于快充的需求進行升級，接口、線纜也需要特別處理，以便降低阻抗和發熱，
入門級的快充一般定義為30w(或22.5w)，因為成本最低。該功率等級很大程度上是基于標準線纜的3A的通流能力來定義的。
手機的充電接口基本上都已經統一為C口，線纜主要分為A to C和C to C兩類。超過6A通流能力的線纜已經成為了大功率充電手機的標配，但線纜內部需要有e-mark去做通流能力的識別。我們勤勞勇敢的中國人甚至發明了可以多一個CC引腳的A轉C口線纜，給本已絢爛多彩的快充方案有增添了一絲波瀾。

結語

下圖是一張完整有線充電端到端的架構圖，各個模塊清晰可見，一目了然，作為本文技術架構部分的小結
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本文概括性的介紹了手機快充全鏈路上的芯片方案，很多國產廠家在此已經深入布局，并已經取得了長足的發展。同時我們也看到，大部分廠家目前還只是專注與快充鏈路上的某一個領域，只有極少數公司才有能力去做手機快充全鏈路上的完整方案。從目前的快充格局上來看，高通、TI、南芯等為數不多的幾家具有強大的影響力和實力的公司，才會成為該領域最大的贏家。
下表列出手機快充各個功能模塊的一些代表廠家，

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近年來，國產半導體飛速發展，一方面是技術能力已經逐漸成熟，另一方面也是*政策的鼎力支持，以及手機廠家的大力提攜，很多半導體廠家如雨后春筍一般涌出。這當然是很好的現象，但要做大做強，必須要有一定的規模，以及*的產品線布局，比如國產的矽力杰、圣邦威、南芯這樣的公司，才會在這樣一個時代潮流的加持下，走的更高，走的更遠。

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