快充芯片江湖：TI独占鳌头，国产急起直追

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2022-03-17 08:45:59 0

手机快充，近年来发展十分迅速，尤其是国内手机的五*，在充电的功率和速度上已经*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、*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*早的2.5w，发展到现在*高的200w，一路突飞猛进。并且在*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。
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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
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*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*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，*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*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*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*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*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*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*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*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。
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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*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。
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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，
入门级的快充一般定义为30w(或22.5w)，因为成本*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
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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。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*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，

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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*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*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。

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