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南芯SC8551—国内首款高压电荷泵充电IC，充电效率高达98%
南芯DCDCIC
1. 引言
随着4G网络普及、5G时代的到来，手机的电池容量越来越大，以便满足移动互联网等各种应用高耗能的需求。使用传统充电技术，充电时间越来越长，无法满足日常所需。快充技术应运而生，可以让人们利用碎片时间迅速使电量恢复，逐渐成为越来越多手机的标配。
快充有两种不同的技术路线：高压小电流快充和低压大电流快充。高压快充的代表是高通。高通在2014年前后率先推出的QC2.0将充电电压从传统的5V提高到9V/12V，充电功率提高到18W。然而，高压快充存在一个难以克服的不足-充电IC发热严重。适配器输出的9V/12V电压进入手机后会被手机内部的buck charger进行二次降压再给电池充电，传统的buck变换器由于在高压输入条件下转换效率低，造成芯片发热非常严重，功率无法进一步提升。
低压直充的技术路线代表是OPPO和HUAWEI。OPPO在2014年推出了VOOC闪充22.5W(5V/4.5A)低压快充技术。由于低压快充不需要中间级的电压变换，实现真正适配器给电池“直充”，所以很好地解决了充电IC发热的问题。然而，为了解决MicroB接口通流能力小、传统充电线材电阻大等问题，低压快充需要专门定制充电接口和充电线，成本高于高压快充方案。
2. 电荷泵快充
电荷泵是一种无电感式DC-DC转换器，利用电容作为储能元件来进行电压电流的变换。半压电荷泵(2:1 charge pump) 可以实现输出电压减半、输出电流加倍，同时转换效率可以达到97%以上，远高于普通的充电IC，从而很好地解决了高压快充时充电IC发热的问题。此外，由于电荷泵可以天然实现输入电流是输出电流一半的效果，所以相对于低压直充方案，线材和接口的成本可以大大降低。
可见，电荷泵快充可以完美化解高压和大电流之间的矛盾，突破手机快充的极限。
图1. SC8551典型应用图
3. SC8551:兼容电荷泵快充和低压直充
SC8551是南芯针对手机快充市场最新推出的电荷泵快充IC。作为国内首款高压电荷泵快充IC，SC8551还开创实现了高压快充和低压直充双模式充电功能。SC8551采用56pin的CSP封装，芯片尺寸为3.32mm*3.35mm。图1为SC8551的典型应用图，在充电过程中，SC8551作为主从充电架构中的从充电IC，在手机进入快充阶段后开始工作，其主要特点如下：
1. 双模式：具有电荷泵2:1降压充电和bypass充电两种模式
2. 效率高：在6A以上充电电流条件下相较于国外的同类产品效率提高0.4%
3. 完善的保护机制：26重保护确保充电安全可靠
a) 双模式
SC8551同时支持电荷泵2:1降压充电模式和低压直充模式。如图2(a)所示，当工作在电荷泵充电模式时，芯片内部开关管Q1-Q8始终处于交替开关的状态，外围的飞电容CFLY1/2处于交替充放电的状态，将输入适配器的能量搬移到电池中。稳态工作时，输入电压略高于两倍电池电压，充电电流最大可以支持到8A。
当SC8551工作在bypass模式时，如图2(b)所示，芯片内部开关管Q1/Q2/Q5/Q6始终导通，开关管Q3/Q4/Q7/Q8始终关闭。此时相当于适配器经过几个串并联的开关管直接给电池充电，只要从VBUS到VOUT的等效电阻足够小，芯片的温升就可以控制地很低。SC8551在bypass模式下支持的最大充电电流为6A。
(a)高压电荷泵快充模式
(b)低压直充模式
图2. SC8551在不同工作模式下的原理示意图
b) 高效率
考虑到电荷泵快充IC的应用主要是在大电流情况下，所以SC8551重点优化了6A以上充电电流的效率。相较于国外同类产品，重载下的效率提高了0.4%左右。图3为SC8551在不同频率下的效率曲线，从图中可以看出，即使充电电流达到8A，SC8551的充电效率依然在96%以上。
图3. SC8551工作在电荷泵模式下的效率曲线
图4为SC8551在bypass模式下从VBUS到VOUT的等效导通电阻曲线。从图中可以看出，等效电阻约为18mohm。随着充电电流增大，等效电阻略有增加。
图4. SC8551工作在bypass模式下的导通电阻曲线
图5为SC8551工作在不同模式下的温升示意图。图5(a)为电荷泵模式下8A充电电流时的温升示意图。从图中可以看出，芯片表面的温升大约为59.6-25=34.6℃(环境温度约为25℃)。 图5(b)为低压直充模式下6A充电电流时的温升示意图，芯片表面的温升大约为44.5-25=19.5℃。
(a)电荷泵模式，VBAT=4.4V，IBAT=8A
(b)低压直充模式，VBAT=4.4V，IBAT=6A
图5. SC8551工作在不同模式下的温升示意图
c) 完善的保护机制
SC8551内部集成了26重不同的保护机制，以确保充电过程安全可靠。保护机制可以分为三类：12重系统级保护、7重电荷泵相关保护以及7重系统级报警。其中，系统级保护和电荷泵相关保护触发后，SC8551会停止充电，同时出INT中断。系统级报警触发后，同样会出INT中断，但是充电不会停止。
4. 结论
SC8551是国内首款高压电荷泵快充IC，兼容电荷泵快充和低压直充功能。其在电荷泵快充模式下的最大充电电流达到8A，在低压直充模式下的电流达到6A。凭借优异的重载效率表现以及全方位的保护机制，使得SC8551非常适合应用在手机大功率充电方案中。
5. 关于南芯
上海南芯半导体科技有限公司，于2015年底成立于上海浦东张江高科技园区。南芯的初创团队来自Texas Instruments ，拥有10年以上行业经验，深耕电源领域，搭档多年，配合默契。随着公司发展，南芯持续引进优秀人才，打造高质量的研发团队，目前拥有来自德州仪器、凌特、立?、ADI、Rohm、O2等知名半导体公司的研发团队，并秉承不断创新的产品文化，致力于为业内提供高性能、高品质与高经济效益的IC解决方案。
南芯在快速充电和电源管理芯片领域的研发上一直领军国内同行，曾经推出了业界首颗buck-boost升降压电池充电管理IC，可以实现2.7~40V范围内高达100W功率的双向智能充放电，高效支持USB PD大功率充放电应用，显著降低充电所需时间，可以广泛应用于智能手机、PAD、电视、笔记本、汽车等消费电子品和充电外设产品。南芯目前又推出国内首款兼容电荷泵快充和低压直充的充电IC。南芯的IC产品凭借其优秀的性能，已在华为、三星、小米、Anker等国内外知名品牌的产品中频频亮相，销售额持续快速增长。
2018年1月，南芯半导体宣布完成数千万人民币的A轮融资。2019年4月，南芯半导体再次宣布完成近亿元人民币的B轮融资，并由上海集成电路产业基金领投。南芯不断探索研发高端芯片，具有很强的先发优势，是国产模拟芯片替代浪潮中的开拓者，并凭借其扎实的技术和经验积累，建立了技术领先、品质优异、产品性价比高的“高端中国芯”的领军品牌形象。
