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充电管理芯片的争奇斗艳

2023/10/09
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智能手机发展到2023年,国内的上下游产业链早已成熟。无论是手机厂商,还是模块厂商,甚至在芯片元器件领域,也有不少优秀的国产芯片厂商杀出重围,在各自的细分领域成为龙头企业。对于手机领域的关注,除了性能本身以外,众厂商在充电速度、充电形式等领域也在不断地明争暗斗,充电管理芯片的重要性也因此不言而喻。

本文将从充电管理芯片的角度,分析一家国产芯片厂商及一家国际厂商的产品、技术和趋势。它们就是国内电荷泵芯片龙头——南芯科技;全球功率系统和物联网领域的半导体领导者——英飞凌。看一看这两家厂商在充电管理芯片领域分别有着怎样的建树。

开关充电、电荷泵、直充,以及无线充电

通常来说,手机充电技术方案有开关充电、电荷泵及直充三种,电荷泵为主流大功率充电方案。三种方式中,开关充电是必备基础选项,后两种方案则支持大功率充电。

受限于充电效率,开关充电通常只作为手机内部器件用于手机充电管理,且一般不超过18W的充电场景,需要使用通用的充电管理芯片。

如果需要达到 18W 以上的功率时,就需要在配备开关充电的基础上额外采用电荷泵或直充方案中的一种。电荷泵方案通过降压扩流实现大功率充电,目前可支持200W 充电,是 22.5W 以上手机大功率充电的主流解决方案;直充方案通过提高输入电流实现大功率充电,当前不少方案支持 50-80W 的充电功率,但成本更高。

与带电感开关电源不同,电荷泵利用开关电容实现,不需要外接电感,因此导通损耗大幅降低,能量效率通常能达到 97%甚至更高,在用于大功率充电时优势较为明显。与直充方案相比,电荷泵方案不需要对充电接口和充电线缆进行专门定制,系统成本较低且兼容性也比较强。但电荷泵解决方案的劣势在于调压缺乏灵活性,只能整数倍转换,无法连续动态调配,因此在手机端仍需要和通用充电管理芯片配合使用。

虽然电荷泵的电路架构已有数十年的历史,但用于手机快充方向上的历史并不久。2017年,随着USB PD3.0 PPS发布,多家充电协议的兼容成为可能,大功率充电市场兼容性也大大提高,电荷泵技术方案开始快速发展。行业内 2017 年左右就有40W的电荷泵充电管理芯片推出,至2019年左右推出支持电荷泵充电和低压直充的手机充电芯片,2020、2021 年推出不同架构支持 120W 充电功率的电荷泵充电管理芯片。到目前已有200W甚至300W的电荷泵芯片推出。可以说,电荷泵充电管理芯片的更新与迭代速度非常之快。

至于无线充电管理芯片,则与通用充电管理芯片、电荷泵充电管理芯片在手机中并非替代关系,反而是可以相互协作。手机充电需要使用通用充电管理芯片作为基础配置,在此基础上,如果采用电荷泵大功率充电方案,则需增加电荷泵充电管理芯片。如果需要增加无线充电功能,则可通过增加无线充电接收模块来满足。

南芯科技——两年时间从新品至龙头

作为国内领先的模拟和嵌入式芯片设计企业之一,南芯科技专注于电源及电池管理领域,现有产品已覆盖充电管理芯片——电荷泵充电管理芯片、通用充电管理芯片及无线充电管理芯片。另外,也涉及其他电源及电池管理芯片,如DC-DC芯片、AC-DC芯片、充电协议芯片及锂电管理芯片等,但不在本文讨论范围内,因此不再赘述。

根据 Frost & Sullivan 研究数据显示, 以 2021 年出货量口径计算,南芯科技电荷泵充电管理芯片位列全球第一,升降压充电管理芯片位列全球第二、国内第一。因此,在电荷泵及升降压充电管理芯片领域,南芯科技可以算是不折不扣的龙头企业。

发展路径

2016年,南芯科技成立,同时推出全对称40V降压双向充放电芯片SC8801/2并成功量产;
2017年,支持 PD 应用的 Buck-Boost升降压双向充电管理芯片大规模量产;
2018年,推出第一款无线充电IC及第一款协议IC,部分产品打入小米、三星、OPPO等知名厂商产品;
2019年,推出兼容电荷泵充电和低压直充的手机充电芯片;
2020年,推出第一款GaN控制器
2021年,率先量产120W电荷泵充电管理芯片,满足手机厂商对超大功率芯片的需求;
2022年,通过IPO登陆科创板;
2023上半年,推出超高功率、6:2架构的电荷泵芯片,实现300W快充功率。

随着近年来应用于手机端充电管理并得到快速发展,市场对手机续航能力及充电速度提出更高的要求。南芯科技2019年推出的电荷泵充电管理芯片正处在当时的风口之上,通过疯狂捕捞市场,取得全球第一的市场地位。可以说,仅用了2年,南芯科技就从“新手”做到了龙头。

南芯科技电荷泵充电管理芯片覆盖2:1、4:1、4:2、6:2等多种架构,能够满足终端设备22.5W-300W功率的充电需求,充电效率高,温升小,无需电感,外围元件简单,可以根据客户需要集成USB PD协议及私有协议。除满足充电功能外,南芯科技电荷泵充电管理芯片还支持放电功能,能够提供正向降压、反向升压及直通等多种模式,并且可以搭配无线充电接收端,实现高功率无线充电。

同时,在安全方面也有所设计,产品内部集成了多重不同的保护机制,以确保充放电过程安全可靠。目前,南芯科技的电荷泵充电管理芯片已被荣耀、OPPO、小米、vivo、moto、传音等各大手机品牌使用。

充电管理芯片可将外部电源转换为适合电芯的充电电压和电流,并在充电过程中实时监测电芯的充电状态,调整控制充电电压、电流,确保对电芯进行安全、高效的充电。

Frost & Sullivan 研究数据显示,2021年全球配备电荷泵充电管理芯片的手机为4.7亿部,配备电荷泵芯片的智能手机渗透率约为 35%,预计到 2025 年电荷泵充电管理芯片在智能手机的渗透率将提升至 90%。目前配备电荷泵芯片的手机主要为中高端及以上机型,而随着大功率充电方案的普及,手机品牌厂商之间的竞争将会推动平价机型提升充电效率,电荷泵芯片有望在平价机型中渗透率提升。因此,电荷泵芯片的市场上升空间仍然不小。南芯科技作为该领域的龙头企业也将受益于此。

2023上半年,南芯科技研发投入1.25亿元,同比增加77.52%,公司新增 7 项核心技术,均为自主研发,分别是锂电池监测技术、零电压开关的电荷泵控制技术、低电压自启动技术、次级控制全集成软开关 Flyback 技术、Smart High Side Driver 技术、汽车级智能保险丝技术和汽车天线 LDO 技术,且上述技术均在公司产品上实现应用。

目前,虽然南芯科技产品主要应用于手机市场及其他消费市场,工业市场及汽车市场基数较低,但销售收入正在逐年增加。随着产品在各个应用领域技术及市场的突破,工业、汽车市场似乎也在变得更加乐观。

英飞凌——提高功率密度是主旋律

相比南芯科技不到十年便跃居企业龙头的事迹,成立于1999年的英飞凌半导体,无论是规模还是企业历史、文化,都要显得更加“老谋深算”。凭借数十年的经营,英飞凌在半导体行业多个细分领域都拥有较大的技术优势,尤其是功率半导体方向。在关于手机快充及无线充电芯片相关的问题上,英飞凌电源与传感系统事业部的大中华区应用市场管理高级经理胡高明先生及大中华区应用市场经理谈路坦先生两位接受了与非网的采访。

胡高明表示,英飞凌针对手机快充及USB PD充电器, 推出了业界首款混合反激(HFB)控制器,它结合了QR反激的支持宽电压输入/输出和LLC的软开关特性,可大幅提高充电器的功率密度。

 
英飞凌电源与传感系统事业部 大中华区应用市场管理高级经理 胡高明

最近,英飞凌还推出最新的PFC和HFB的二合一控制器(XDPS2221/2),可实现两个转换器无缝协同工作和最佳控制,大量减小外围器件的数量,减少设计的难度。它非常适用于驱动英飞凌的CoolGaN™ 器件。高压CoolGaN™ 器件采用了混合漏极与栅极注入技术(Hybrid Drain Gate Injection),驱动简单,灵活且高可靠,并提供了卓越的动态RDS(ON)性能,可进一步提高系统的功率密度。

英飞凌科技XDP数字电源XDPS2221

综上所述,提高功率密度是英飞凌在充电管理芯片技术提升的主旋律。

谈路坦认为,在无线充电方面,英飞凌除了推出符合标准化组织WPC Qi标准,还有车规级解决方案,以及高功率私有协议,来满足不同功率段的充电需求。英飞凌能提供全套系统方案,包括主控IC,加密IC,全桥MOSFET等核心器件。未来会在Auto车规类无线充和消费类Qi标准持续发力,推出更丰富产品。

英飞凌电源与传感系统事业部大中华区应用市场经理 谈路坦

众所周知,功率半导体是英飞凌非常擅长的领域,无论是早年的硅基MOSFET、IGBT,还是近几年崛起的第三代半导体——SiC、GaN,英飞凌在业内都有着巨大的话语权。那么,在充电管理芯片与MOSFET或GaN之间结合的方面,英飞凌自然也有着独特的优势。

在胡高明看来,由于英飞凌一直致力于为客户提供系统级的解决方案,在充电管理芯片和功率器件的应用上积累了丰富的经验。在两者的结合方面,英飞凌针对不同客户的需求,可提供不同的组合的解决方案。如之前提到的,其混合反激控制器XDPS2221/2, 可直接驱动MOSFET或高压CoolGaN™,满足不同需求。未来,该方案应用也将推动快充向更大功率和更宽输出电压范围发展(如5-48V ),进而拓展到更多的用电设备。

在下游应用方面,苹果与安卓两大生态的充电速率的差距近年来越拉越大。谈路坦表示,更多的原因并非技术限制,瓶颈不在芯片本身,而是各家终端品牌有自己的充电策略和市场产品解读。

标准化QI2功率定位15W,是通用标准,而非行业硬性指标。中国工信部法规也由原来50W改到80W,各家也有不同的私有协议。不同厂商对标准的解读和实际应用需求都不一样。

确实,随着近期新款的IPhone15系列手机发布及上市,即使搭载Type-C接口,苹果生态的充电速率实测仍然不超过30W。

在安卓阵营已经在追求200W-300W的高功率充电速度时,苹果生态仍然停留在十分之一的速度上,而苹果用户对于这一“落后”指标的抱怨声也似乎并不大,着实佩服苹果对于充电策略的解读和把控。

同样,对于安卓的充电“神速”来说,市场上也会有人表示担忧,过快的充电速度是否会有安全隐患。胡高明对此表示,要实现60W,120W或更高功率的快充,同时满足客户对充电器体积和重量的要求,会给充电器安全性设计带来一定的挑战。这就需要更高效,更高集成度和精度的芯片,以及和相匹配的更好散热更小封装更低阻抗的开关器件。目前,英飞凌完全可以提供相关的系统级解决方案。那么,至少可以判定,在芯片层级上,安全因素绝对是被考虑在内的。用户在日常生活中,按说明进行使用,应该就不太会有安全隐患。

2022年引发至今的消费电子低潮,仍然在影响着半导体行业,尤其是手机业务线。理论上说,相关的充电管理芯片也会受冲击。不过,胡高明表示,快充及无线充也是绿色环保的重要环节,英飞凌持续看好快充及无线充的市场前景,后续市场还会走向更大功率,更好的便携性发展。同时,英飞凌会也会继续加大对充电管理芯片及其功率器件创新技术的投入。并且,随着低碳化的发展,充电管理芯片在其它与电池相关的产业,如太阳能,储能,车载充电等方面也具有很大的潜力。英飞凌在这些领域有处于领先地位,也在加大对这一块的投入。

写在最后

面对日益竞争的行业格局,国内外充电管理芯片的厂商们都在不断发力,在产品上争奇斗艳,希望能切下更大的“蛋糕”。

南芯科技在巩固自身电荷泵充电管理芯片优势地位的同时,正在发力汽车、工业等市场。

英飞凌作为电源、功率器件领域的老牌劲旅,计划继续加大对创新技术的投入,结合先进的半导体制造工艺和优秀算法,针对不同的需求,提供系统级的解决方案。同时,无线充应用领域,凭借在车规行业的口碑和积累,英飞凌成为为数不多的车规级原始设计厂商之一。消费类方面也拥有规模化生产交付能力,并进一步降低制造成本。

其实谈到无线充,本土厂商美芯晟的无线充电芯片也颇有名气,且已在科创板上市。但由于篇幅有限,本文不再展开讨论,以后有机会笔者再进行深入分析。

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工科学士跨界金融硕士,曾任私募基金高级投资分析师,擅长解析企业内在成长性与投资价值,带你看清行业内的干货和泡沫