| 引言
隨著 4G 網(wǎng)絡(luò)普及、5G 時代的到來，手機的電池容量越來越大，以便滿足移動互聯(lián)網(wǎng)等各種應用高耗能的需求。使用傳統(tǒng)充電技術(shù)，充電時間越來越長，無法滿足日常所需。快充技術(shù)應運而生，可以讓人們利用碎片時間迅速使電量恢復，逐漸成為越來越多手機的標配。
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，高壓快充存在一個難以克服的不足 - 充電 IC 發(fā)熱嚴重。適配器輸出的 9V/12V 電壓進入手機后會被手機內(nèi)部的 buck charger 進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)熱非常嚴重，功率無法進一步提升。
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行電壓電流的變換。半壓電荷泵(2:1 charge pump) 可以實現(xiàn)輸出電壓減半、輸出電流加倍，同時轉(zhuǎn)換效率可以達到 97%以上，遠高于普通的充電 IC，從而很好地解決了高壓快充時充電 IC 發(fā)熱的問題。此外，由于電荷泵可以天然實現(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，突破手機快充的極限。
圖 1. SC8551 典型應用圖
3. SC8551:兼容電荷泵快充和低壓直充
SC8551 是南芯針對手機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，在手機進入快充階段后開始工作，其主要特點如下：
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. 完善的保護機制：26 重保護確保充電安全可靠
a) 雙模式
SC8551 同時支持電荷泵 2:1 降壓充電模式和低壓直充模式。如圖 2(a)所示，當工作在電荷泵充電模式時，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，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 SC8551 工作在 bypass 模式時，如圖 2(b)所示，芯片內(nèi)部開關(guān)管 Q1/Q2/Q5/Q6 始終導通，開關(guān)管 Q3/Q4/Q7/Q8 始終關(guān)閉。此時相當于適配器經(jīng)過幾個串并聯(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 的應用主要是在大電流情況下，所以 SC8551 重點優(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) 完善的保護機制
SC8551 內(nèi)部集成了 26 重不同的保護機制，以確保充電過程安全可靠。保護機制可以分為三類：12 重系統(tǒng)級保護、7 重電荷泵相關(guān)保護以及 7 重系統(tǒng)級報警。其中，系統(tǒng)級保護和電荷泵相關(guān)保護觸發(fā)后，SC8551 會停止充電，同時出 INT 中斷。系統(tǒng)級報警觸發(fā)后，同樣會出 INT 中斷，但是充電不會停止。
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到 8A，在低壓直充模式下的電流達到 6A。憑借優(yōu)異的重載效率表現(xiàn)以及全方位的保護機制，使得 SC8551 非常適合應用在手機大功率充電方案中。
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