1. 引言
隨著4G網絡普及、5G時代的到來，手機的電池容量越來越大，以便滿足移動互聯網等各種應用高耗能的需求。使用傳統充電技術，充電時間越來越長，無法滿足日常所需。快充技術應運而生，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發熱嚴重。適配器輸出的9V/12V電壓進入手機后會被手機內部的buck charger進行二次降壓再給電池充電，傳統的buck變換器由于在高壓輸入條件下轉換效率低，造成芯片發熱非常嚴重，功率無法進一步提升。
低壓直充的技術路線代表是OPPO和HUAWEI。OPPO在2014年推出了VOOC閃充22.5W(5V/4.5A)低壓快充技術。由于低壓快充不需要中間級的電壓變換，實現真正適配器給電池“直充”，所以很好地解決了充電IC發熱的問題。然而，為了解決MicroB接口通流能力小、傳統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) 可以實現輸出電壓減半、輸出電流加倍，同時轉換效率可以達到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發熱的問題。此外，由于電荷泵可以天然實現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。作為國內首款高壓電荷泵快充IC，SC8551還開創實現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，芯片內部開關管Q1-Q8始終處于交替開關的狀態，外圍的飛電容CFLY1/2處于交替充放電的狀態，將輸入適配器的能量搬移到電池中。穩態工作時，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，芯片內部開關管Q1/Q2/Q5/Q6始終導通，開關管Q3/Q4/Q7/Q8始終關閉。此時相當于適配器經過幾個串并聯的開關管直接給電池充電，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重點優化了6A以上充電電流的效率。相較于國外同類產品，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重系統級保護、7重電荷泵相關保護以及7重系統級報警。其中，系統級保護和電荷泵相關保護觸發后，SC8551會停止充電，同時出INT中斷。系統級報警觸發后，同樣會出INT中斷，但是充電不會停止。
4. 結論
SC8551是國內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。憑借優異的重載效率表現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。
5. 關于南芯
上海南芯半導體科技有限公司，于2015年底成立于上海浦東張江高科技園區。南芯的初創團隊來自Texas Instruments ，擁有10年以上行業經驗，深耕電源領域，搭檔多年，配合默契。隨著公司發展，南芯持續引進優秀人才，打造高質量的研發團隊，目前擁有來自德州儀器、凌特、立?、ADI、Rohm、O2等知名半導體公司的研發團隊，并秉承不斷創新的產品文化，致力于為業內提供高性能、高品質與高經濟效益的IC解決方案。
南芯在快速充電和電源管理芯片領域的研發上一直領軍國內同行，曾經推出了業界首顆buck-boost升降壓電池充電管理IC，可以實現2.7~40V范圍內高達100W功率的雙向智能充放電，高效支持USB PD大功率充放電應用，顯著降低充電所需時間，可以廣泛應用于智能手機、PAD、電視、筆記本、汽車等消費電子品和充電外設產品。南芯目前又推出國內首款兼容電荷泵快充和低壓直充的充電IC。南芯的IC產品憑借其優秀的性能，已在華為、三星、小米、Anker等國內外知名品牌的產品中頻頻亮相，銷售額持續快速增長。
2018年1月，南芯半導體宣布完成數千萬人民幣的A輪融資。2019年4月，南芯半導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業基金領投。南芯不斷探索研發高端芯片，具有很強的先發優勢，是國產模擬芯片替代浪潮中的開拓者，并憑借其扎實的技術和經驗積累，建立了技術領先、品質優異、產品性價比高的“高端中國芯”的領軍品牌形象。