大功率快充背后的“杀手锏”——电荷泵IC

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电子发烧友网报道(文/李诚)随着电子设备朝着智能化、多功能化的发展,设备功耗增加明显,市场对快充的需求也愈发强烈。目前市面上的快充产品主要是通过提升充电电流/电压的方式,提高充电功率,缩短充电时间。
 
大功率充电的基础在于电池本身能够接受大功率充电。随着输入端功率不断向60W、90W、100W等大功率方向发展,导致了原本只有5V的输入端电压也开始朝着10V、20V提升,当电池输入电压被提升至与电池充电电压不匹配时,就需要对输入电压进行降压处理。若想保证充电功率不受影响,需在电池充电输入端前加入电荷泵技术,以满足大功率充电的要求。以20V/6A 120W的输入电源为例,通过在电池前端并联两组电荷泵电路,可降低50%的输入电压和提升100%的输入电流,实现10V/12A的电压、电流转换,电荷泵的加入不仅降低了电池的充电电压,还保证了大功率的能量输入。目前,电荷泵技术在华为、小米、荣耀等国内一线品牌的产品中均有应用。其中,电荷泵芯片除了TI、ADI、NPX等国际大厂外,国内的南芯、伏达在这方面的芯片也实现了量产,并推出了多个解决方案,电池充电效率最高达到了99.2%。
 
南芯半导体
 
南芯于2019年,发布了国内首款40W高压电荷泵充电IC SC8551,正式切入大功率消费类电子快充市场,以国内首发的优势,迅速在国内快充市场站稳了脚步。
 
南芯目前的产品线覆盖了电荷泵IC、PD协议的升降压PMIC、AMOLED控制IC、无线充电IC等。多线程的发展,提高了自家产品在市场的渗透率。如今以苹果为首的手机厂商纷纷响应环保的号召,取消随机附送的手机充电器,充电器市场需求急剧上升,作为国内快充领头羊的南芯或将从中获得巨额红利。
 
今年9月,南芯再度发布集成了多种充电协议的电荷泵充电IC SC8571,在单芯片应用的情况下,最高可满足120W的充电要求。
 
SC8571采用的是南芯的第二代电荷泵技术,是一款超高压4:2电荷泵IC,具有高效、多模、充电快的特点。主要应用于双串联电芯的解决方案中,在120W及以下功率的应用中,仅需使用一颗SC8571。在120W至160W的应用中,可采用两颗SC8571并联的方案。采用三颗并联的方式,可实现最高200W的充电功率。
 
电荷泵
4:2电荷泵模式下充电效率曲线 图源:南芯半导体
 
上图为SC8571 IC在工作电压为10V的4:2电荷泵模式下,随电流变化的充电效率曲线图(横向代表电流值、纵向代表效率)。经上图,可直观地看出该芯片最高的工作电流为12A,最高输出功率为120W,其中在3A时,充电效率达到了峰值98.65%,在工作电流为8A的条件下,充电效率依旧能保持在98%以上。
 
电荷泵
2:2直冲模式下充电效率曲线 图源:南芯半导体
 
上图为SC8571 IC在2:2直充模式下的充电效率变化曲线,在输出电流为1A至6A将近7A时,充电效率能够稳定地保持在99%以上。在1A状态下,充电效率达到峰值约为99.7%。
 
SC8571的4:2电荷泵模式与两颗串联的电芯,是目前充电功率最大、充电效率最高的大功率快充解决方案之一。
 
伏达半导体
 
伏达半导体在今年7月发布了国内首款应用于双电芯4:2快充方案的电荷泵芯片NU2205。该电荷泵芯片最大充电功率提升到了120W,打破了传统单电芯充电功率达不到百瓦的局面。同时,伏达半导体还在不断提高充电功率,以满足更多的应用场景需求。
 
对于充电来说,高效是十分重要的。为此,伏达半导体通过对NU2205芯片内部和集成的FET进行优化的方式,提高工作频率,实现高效的目的。并且可根据电池的充电状态、温度来调整充电的工作模式减少开关损耗、降低系统的发热量,保证充电过程的安全。
 
电荷泵
图源:伏达半导体
 
NU2205有4:2电荷泵和普通直充两种工作模式,上图为NU2205在4:2工作模式下随着电流变化的效率变化曲线。通过效率曲线,可看出在该模式下充电效率达到了98.2%,充电电流可高出10A。在该模式下,电荷泵是将输出电压降低至输入电压的一半,通过提升电流的方式保证充电功率的不变。在该模式下不仅降低充电线缆的传输电流,还缓解了充电线缆遇高电流易发热的问题。在普通直充2:2模式下,NU2205的最高充电效率可达99.2%。
 
据伏达半导体表示,NU2205可通过并联电荷泵芯片的方式提升充电功率,并联三颗芯片充电功率可提升至200W以上。
 
结语
 
依照目前市场对高功率快充的需求来看,电荷泵快充芯片有很大的发展空间。电荷泵芯片的应用不但提高了充电设备的充电功率,还不会因为充电电流的提升而更换充电线缆,造成资源的浪费,极大地改善了用户的充电体验。
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