产品描述

　　随着电子技术的加快速度进行发展，便携设备已渗透到我们正常的生活的每个方面。以手机为例，当今社会生活已不能离开手机的使用，从日常通讯到娱乐购物，甚至核算检验测试[此处有表情]，毋庸置疑，手机慢慢的变成了了最重要的工具。

　　伴随着手机的高强度使用，随之而来的焦虑便是怎么样才可以保证手中的手机有足够长的续航时间？

　　这个问题也一直困扰着业界。目前主要的解决方案有两个方向：1. 提升电池容量；2. 加快充电速度。

　　在提升电池容量方面，基础材料技术的进步相对缓慢，尚需要更多时间实现电池容量的突破。在充电速度方面，得益于芯片技术的迅猛发展，充电功率在过去不到10年的时间内增长了几十倍。使用习惯从之前的充电一晚上，到现在的20分钟后又是一条好汉。从10年前5V/0.5A充电，到现在的150W甚至240W的充电功率[1]，使得用户的手机续航焦虑得到了极大的缓解。

　　自150年前James Clark Maxwell 首次提出利用开关电容方法代替电阻的方法[2]，在那之后开关电容主要还只用在模拟滤波器和小功率供电电路上，直到2017年，首颗充电用开关电容芯片才在手机中实现量产使用。在此之后，单颗开关电容芯片的功率从40W加快速度进行发展到如今的80W，同时也促进了手机快充技术的急速发展。

　　以常用的锂电池充电为例，充电至少分为4个阶段[3]，分别为涓流充电(Trickle Charge), 预充电(Pre-Charge), 恒流充电(Constant Current Charge)和恒压充电(Constant Voltage Charge)。开关电容电路通常在恒流充电和部分恒压充电阶段启用，以充分的利用开关电容电路的高转换效率优势。

　　典型的手机快充的应用如图2所示，开关电容组成的充电通道与传统的Buck Charger并联，形成了一条独立的电池充电通路以完成高效快速的充电。当适配器不支持输出电压连续可调时，Buck Charger能支持最高18W的充电。若适配器满足快充的要求，单颗开关电容电路能支持从33W(SC8546)到80W(SC8571)的快充。

　　在应用于快速充电之外，开关电容电路还可当作电压转换电路以实现将电池电压降压或升压后为母线是在手机供电系统中一种新颖的架构。针对2s电池的手机系统，开关电容电路能将2s电池的高压降低一半为系统(VSYS)供电，在充电时也可以将Buck Charger提供的VBAT充电电压泵升两倍为电池充电。这样的架构既能保持与1s电池相同的主充电路以减少相关成本，又可以兼容SC8571的应用实现2s高压快充的效率。

　　接下来将以2:1的开关电容为例介绍其基本的工作原理。如下图所示，最简单的2:1开关电容电路至少由5个器件组成，其分别为开关管Q1~Q4和飞电容CFLY。

　　其一为Q1和Q3导通，VIN通过Q1/CFLY/Q3组成的充电通道为VOUT提供能量；

　　图6为2:1开关电容电路工作时的电流和电压示意图，其中红色的曲线为飞电容CFLY的电流波形。其在每个充放电周期内都是指数的，时间常数近似为开关管的导通电阻乘以飞电容CFLY。有必要注意一下的是充电电流在开关管动作后的一段时间内充电是最多的，开关管导通的时间越长，其流通的电流越小，这一点是与Buck电路的显著区别。

　　由于开关电容电路没有电感，因此其不具备调整输出电压连续可调的能力，只能等比例的，如2:1/3:1/4:1等，实现降压或升压。因此，开关电路能等效为带输出阻抗的直流变压器，如图7所示。

　　因为开关电容其本身是可以等效为一颗电阻的，接下来将用一个更简单的电路来进行说明。

　　如图8所示的开关电路，其有两个开关S1和S2，还有一颗用于能量传递的电容CFLY。假设S1和S2以频率f交替导通，并且在CFLY两端的电压在S1和S2断开前都已达到稳态，即在S1断开前CFLY两端的电压为VIN，在S2断开前CFLY两端的电压为VOUT。

　　再回过头重新看图5中的开关电容的两个工作状态，假设输入VIN和输出VOUT电压在开关周期内纹波很小或者保持不变，那么一样能利用式(1)-(3)来推导2:1开关电容电路的输出阻抗。

　　需要说明的是，实际开关电容电路中，由于输入输出电压和CFLY两端的压差在开关周期内是有纹波变化的，且在工作状态切换前CFLY两端的电压不一定能进入稳态，因此2:1开关电路输出阻抗会复杂一些。（由于篇幅限制，将不在此详细说明）

　　以上介绍了开关电容的工作原理，而高功率充电之所以选择开关电容的拓扑还在于相比与Buck Charger有明显的效率优势。其根本原因为：

　　由于开关管串联工作，降低了寄生电容的压降，逐步降低了开通过程中产生的损耗

　　图10为南芯SC8571的效率曲线%，相比于其他的充电拓扑，开关电容展现了极大的效率优势。

　　在如今这个对快充技术需求非常强烈的时代，开关电容电路通过其优异的转换效率在手机中获得了大范围的应用，并已实现单颗充电80W的高功率。

　　本文通过对开关电容基本工作原理的简介，说明了其工作特点和等效电路模型，并阐明了开关电容电路高转换效率的原因。

　　南芯半导体科技股份有限公司，是一家专注于电源和电池管理的高性能国产半导体设计企业，拥有Charge pump、DCDC、ACDC、有线充电、无线充电、快充协议、锂电保护等多条产品线，基于自主研发的升降压充电、电荷泵和GaN直驱等核心技术，推出了多款明星产品，得到业内广泛认可。

　　南芯可提供从AC到电池的端到端快充完整解决方案，产品覆盖10W到200W整个范围。其中电荷泵大功率快充系列新产品率先打破国外垄断，通过了国内多个知名品牌手机厂家的严苛认证，并已实现大规模稳定量产；DC/DC类产品在工业类市场取得了丰硕的成绩；无线/有线充电类产品也已经通过车规认证，打入国产汽车前装市场。

　　南芯拥有强大的研发及系统团队、独立的品质管控团队、以及贴近客户的销售和支持团队，为高质量的产品研究开发设计保驾护航。南芯也得到了上下游产业链与资本的广泛认可与支持：OPPO、vivo、小米、中芯聚源、上海集成电路产业基金、红杉资本等先后入股成为股东，助力公司持续、快速成长以及可靠的供货保证。

　　南芯产品已在荣耀、OPPO、vivo、小米、联想、三星、大疆、Anker、紫米等国内外知名品牌的产品中频频亮相，并助力多款产品入驻Apple Store，证明了南芯产品在性能、品质和成本等方面的诸多优势。南芯秉承逐步的提升，不停创新的企业文化，致力于为客户提供高性能、高品质与高经济效益的系统解决方案。

　　意法高层透露与华虹40nmMCU合作细节：专用产线制造 明年底首批产品推出