Das Schnellladen von Mobiltelefonen hat sich in den letzten Jahren sehr rasant entwickelt, insbesondere die fünf großen inländischen Mobiltelefonmarken, die Apple und Samsung in Bezug auf Ladeleistung und -geschwindigkeit überholt haben, was die Hersteller von Schnellladechips dazu veranlasst hat, die Technologie und Produkte kontinuierlich weiterzuentwickeln und neue einzuführen.  
Texas Instruments, ein internationaler Gigant im Bereich analoger Chips, war im Energiemanagement-Markt stets eine dominierende Stellung und ein Maßstab für die gesamte Branche. Auch im Markt für Schnellladefunktionen für Mobiltelefone ist das Unternehmen umfassend vertreten. In den letzten Jahren haben sich jedoch die technischen und Forschungskapazitäten inländischer Hersteller von Ladechips deutlich verbessert. Dank des internationalen Umfelds und der Unterstützung durch nationale Förderprogramme konnten diese Hersteller beachtliche Fortschritte erzielen. Aufstrebende inländische Halbleiterunternehmen wie Nanxin und Xidi Micro haben im Markt für Schnellladefunktionen für Mobiltelefone beeindruckende Erfolge erzielt.  
Schnellladen ist mittlerweile ein unverzichtbares Merkmal von Mittelklasse- und Oberklasse-Mobiltelefonen und macht einen Großteil ihrer Kosten aus. Es handelt sich um ein komplexes System mit vielen Komponenten, darunter Ladeköpfe, Schnittstellen, Ladekabel, Schnellladechips, Akkuanschlüsse, Zellen und weitere Strompfade sowie ein Kommunikationsprotokoll, das als Kernstück des Schnellladens gilt. Jede Komponente dieser Stromkette muss hocheffizient und leistungsstark sein, um schnelles Laden zu ermöglichen; es dürfen keine Schwachstellen auftreten.  
Dieser Artikel bietet Ihnen eine Einführung in das Full-Link-Chip-Funktionsmodul der Schnellladelösung für Mobiltelefone, einschließlich Ladeköpfe, Schnellladechips für Mobiltelefone, Protokolllösungen usw.  
       

Ladekopf

Der Ladekopf ist der Energielieferant der gesamten Schnellladekette. Er hat sich von anfänglich 2.5 W auf aktuell 200 W rasant weiterentwickelt. Dank neuester Gan-Materialien lassen sich Effizienz und Volumen weiter optimieren.  
Die Abbildung unten zeigt ein Blockdiagramm einer AC/DC-Lösung, die im Wesentlichen aus drei Steuermodulen besteht: Primärseite, Sekundärseite und Protokoll, sowie Transformatoren, Trennrückkopplungsvorrichtungen usw. Je nach Leistungsniveau werden entsprechende Auswahlen getroffen, um den unterschiedlichen Leistungsanforderungen und Kundenbedürfnissen gerecht zu werden.  
   
AC/DC-Wandler verwenden meist die klassische Sperrwandlerarchitektur. Bei hohen Leistungen kommen Soft-Switching-Technologien, Galliumnitrid-Bauelemente sowie PFC und andere Technologien zum Einsatz, um die Effizienz weiter zu steigern und dadurch die Leistung zu erhöhen.
Bei einigen der miniaturisierten Lippenstift-Ladeköpfe, Keks-Ladeköpfe usw., die wir gesehen haben, werden zahlreiche neue Materialien und Technologien wie Galliumnitrid-MOS und Flachbildschirmtransformatoren verwendet.  
Der Markt für Ladeköpfe wurde früher von ausländischen und taiwanesischen Marken dominiert. Zu den ausländischen Marken zählten beispielsweise ON, PI und Dialog (iwatt), die hauptsächlich Primär- und Sekundärseiten herstellten, sowie Infineon (Cypress), das sich vorwiegend mit Vertragsabwicklung befasste. Taiwanesische Marken wie Tongjia und Angbao boten Komplettlösungen an.  
In den letzten Jahren haben lokale inländische Hersteller rasante Fortschritte im Bereich AC/DC erzielt, wie beispielsweise SiLijie, Jiehuat, Xinpengwei, Shilanwei usw., die sich hauptsächlich mit der Primär- und Sekundärseite beschäftigen; Yingjixin, Zhilong, Huinengtai usw. beschäftigen sich hauptsächlich mit Verträgen; und Shanghai Nanxin, das Komplettlösungen anbietet, ist besonders hervorzuheben, da Nanxin auch eine vollständige Galliumnitrid-Direktantriebslösung der dritten Generation besitzt.  
       

Schnellladechip im Mobiltelefon

Die Schnellladefunktion im Mobiltelefon ist das Kernstück des gesamten Ladevorgangs. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die vom Ladegerät gesendete Energie effizient umzuwandeln, sie so zu laden, dass die Akkuzelle sie aufnehmen kann, und gleichzeitig eine Reihe von Erkennungs- und Schutzfunktionen durchzuführen.  
Die Effizienz war schon immer der größte Engpass beim Schnellladen von Mobiltelefonen. Da Mobiltelefone nur sehr wenig Platz bieten und die Benutzerfreundlichkeit berücksichtigt werden muss, ist die Überhitzung ein großes Problem.  
  Die Ladearchitektur von Mobiltelefonen hat bisher drei Entwicklungsgenerationen durchlaufen:    
 

• linear charging
• Laden über Schalter
• Ladungspumpe

Das lineare Laden wurde bei Smartphones vollständig abgeschafft, nur noch extrem einfache Mobiltelefone sind im Einsatz.  
Das Laden mit Schaltern ist heutzutage Standard bei Mobiltelefonen. Der Wirkungsgrad liegt üblicherweise zwischen 88 % und 92 %, die Ladeleistung bei etwa 18 W. Beispielsweise ist der BQ2560x von TI ein universelles Ladegerät, das Vorladen, Konstantstromladung mit bis zu 18 W und den vollständigen Ladevorgang am Ende des Ladevorgangs ermöglicht.  
Bei Mobiltelefonen ist das Hauptladegerät üblicherweise in die PMI (Personal Mobile Interface) der Plattform integriert. Einige Hersteller fügen einen zusätzlichen Ladeschalter-Chip hinzu, um die Wärmeableitung zu verbessern und ein besseres Benutzererlebnis zu erzielen.  
Mit einigen Speziallösungen lässt sich eine höhere Effizienz erzielen, beispielsweise mit dem MP2762 von MPS und dem BQ25790 von TI sowie mit dem SC8982 von Nanxin, einer Aufwärts- und Abwärtsladelösung für Dual-String-Batterien, die einen Wirkungsgrad von bis zu etwa 95 % erreichen kann.  
Das Laden per Schalter ist eine Ladelösung der zweiten Generation, die jedoch nach wie vor mit erheblichen technischen Herausforderungen verbunden ist. Nur wenige chinesische Hersteller beherrschen diese Technologie zufriedenstellend. Aktuell sind die wichtigsten Akteure die Smartphone-Plattformen und TI. Zu den chinesischen Herstellern zählen vor allem Silicon Power, Shengbang Micro und Nanxin.  
Das Schnellladen mit einer Ladepumpe ist derzeit die einzige Lösung für Mittelklasse- und High-End-Mobiltelefone. Es zeichnet sich durch einen extrem hohen Wirkungsgrad von in der Regel rund 97 % aus und dient als zusätzliche Ladelösung für den Konstantstromladeprozess.  
Die wissenschaftliche Bezeichnung der Ladungspumpe lautet „Hochspannungs-Direktladung“. Im Bereich der Direktladung muss auch die „Niederspannungs-Direktladungstechnologie“ von OPPO erwähnt werden, einem Pionierunternehmen auf dem Gebiet der Stromversorgung in China. Die „Hochspannungs-Direktladung“ basiert auf dieser Technologie.  
Ladungspumpenladegeräte arbeiten im Allgemeinen nach Spannungsverhältnissen, wie zum Beispiel dem klassischen 2:1, dem Hochleistungs-4:2, dem 4:1, dem Ultrahochspannungs-6:2 usw.  
2:1-Produkte werden hauptsächlich bei mittleren Ladeleistungen von 30-50 W eingesetzt; 4:2-Produkte werden hauptsächlich in Hochleistungs-Doppelstrang-Batterielösungen verwendet; und die neueste 4:1-Architektur wird in der Hochleistungs-1S-Batteriearchitektur eingesetzt, die auch von der rasanten Entwicklung der Batterieladeraten profitiert.  
Seitdem ON, Dialog und TI als erste Hersteller Ladungspumpenprodukte auf den Markt brachten, witterten die chinesischen Mobiltelefonhersteller sofort eine große Veränderung. Gleichzeitig zogen viele chinesische Chiphersteller aktiv nach und erreichten innerhalb kurzer Zeit sogar einen gewissen Vorsprung.  
Die erste in China in Serie gefertigte Ladungspumpe aus Halbleitern ist ein 4:2-Ladungspumpenchip von Xidi Micro, der für einfache Spannungswandlungen verwendet wird; der erste in Serie gefertigte Ladungspumpen-Ladechip-Hersteller ist jedoch Shanghai Nanxin mit seinem SC8551, der mit dem Branchenklassiker BQ25970 kompatibel ist.  
Neben Plattformen haben mehrere Hersteller auch eine Vielzahl von Ladepumpenprodukten auf den Markt gebracht.Foreign brands such as:  
 

• TI: 2:1、4:2的Ladegerät
• Lion: 2:1-Ladegerät; 4:2-Wandler; 6:2-Wandler (kürzlich von Cirrus Logic übernommen)
• Maxime: 2:1-Wandler

  Zu den einheimischen Marken gehören:    
 

• Nanxin: 2:1-Ladegerät (30 W/40 W); 2:1-Ladegerät mit Protokoll; 2:1-Konverter; 4:2-Konverter; 4:2-Ladegerät; 4:1-Ladegerät; 6:2-Konverter;
• Xidiwei: 2:1 charger; 4:2 converter
• Silicon Lijie: 2:1-Ladegerät; 4:2-Ladegerät
• Chipmax: 2:1-Ladegerät; (ehemals Silicon Mitus, in diesem Jahr von einem staatlichen Unternehmen übernommen)
• St. Bonwe: 2:1-Aufschlag;

Das Ladegerät mit Ladepumpe lädt den Akku direkt mit hoher Leistung, weshalb die Sicherheitsanforderungen sehr hoch sind. Markenhersteller von Mobiltelefonen gehen bei der Einführung äußerst vorsichtig vor. Derzeit liefern neben Plattformen und TI nur wenige inländische Hersteller eine größere Anzahl von Produkten von Nanxin aus. Jüngste Analysen zeigen, dass viele der neuen Ladepumpenprodukte von Nanxin in Mobiltelefonen verschiedener Marken verbaut werden. Aufgrund der Besonderheit dieses Produkts werden die führenden Hersteller ihre starke Position behaupten, und die Chancen für Nachzügler sind gering.  
Das Bild unten zeigt ein Blockdiagramm der Schnellladelösung in einem Mobiltelefon, das auch die Ladeprotokollchip-Lösung umfasst.  
   
       

Ladeprotokoll

Das Protokoll ist das Herzstück des Schnellladens. Während des gesamten Schnellladevorgangs müssen das Mobiltelefonsystem und der Ladekopf in Echtzeit kommunizieren, und Spannung/Stromstärke müssen präzise angepasst und in Echtzeit überwacht werden, um den Schnellladevorgang der Ladepumpe zu realisieren.  
  Derzeit hat jede große Mobiltelefonmarke ihre eigene private Vereinbarung, wie zum Beispiel:  

• Xiaomis privates Protokoll basiert auf CC;
• Huawei/Honor SCP;
• OPPO的VOOC；
• VIVO®Flash-Ladegerät；
• Transsions privates I2C-Protokoll usw.

  Mobile Plattformen verfügen auch über eigene Protokolllösungen, wie zum Beispiel:  

• Qualcomms QC-Serie
• MTK的PE

  Selbstverständlich gibt es auch spezialisierte Abkommensallianzen, wie zum Beispiel:  

• PD von US USB-IF;
• UFCS der Domestic Green League.

Most of the protocol chips in mobile phones are implemented through platforms or MCUs. There are also some special occasions that require customization, such as Yingjixin, Weiquan's QC protocol chip, Richtek's PD phy, etc.  
Chinas eigenes Interoperabilitätsabkommen UFCS, das optimistisch in die Zukunft blickt, wird von führenden Herstellern unterstützt. Neben einigen Herstellern sind auch Silicon Power, Nanxin, Rockchip, Angbao, Chippeng Micro und andere Teil der Allianz und beteiligen sich aktiv an der Ausarbeitung des UFCS-Abkommens und der Chipentwicklung. Langfristig sollen verschiedene Protokolle vereinheitlicht und in die Plattform integriert werden.  
Der Protokollchip muss im Mobiltelefon und im Ladegerät vorhanden sein. Informationen zum Protokollchip im Mobiltelefon finden Sie im Blockdiagramm des vorherigen Kapitels. Nachfolgend ist das grundlegende Anwendungsdiagramm des Protokollchips im Ladegerät dargestellt.  
   
       

Schnittstellen und Kabel

Nicht nur die verschiedenen Chipmodule der Ladeverbindung müssen auf die Anforderungen des Schnellladens aufgerüstet werden, sondern auch die Schnittstellen und Kabel bedürfen einer speziellen Behandlung, um die Impedanz und die Wärmeentwicklung zu reduzieren.
Schnellladen im Einstiegsbereich wird üblicherweise mit 30 W (oder 22.5 W) definiert, da dies am kostengünstigsten ist. Diese Ladeleistung basiert im Wesentlichen auf der 3-A-Strombelastbarkeit gängiger Ladekabel.  
Die Ladeschnittstellen von Mobiltelefonen sind im Wesentlichen auf USB-C-Anschlüsse vereinheitlicht, und die Kabel lassen sich hauptsächlich in zwei Kategorien einteilen: USB-A auf USB-C und USB-C auf USB-C. Kabel mit einer Strombelastbarkeit von über 6 Ampere gehören mittlerweile zum Standard für das Schnellladen von Mobiltelefonen. Allerdings müssen die Kabel innen mit einer elektronischen Kennzeichnung versehen sein, um die Strombelastbarkeit anzugeben. Unsere fleißigen und findigen Chinesen haben sogar ein USB-A-auf-USB-C-Kabel mit einem zusätzlichen CC-Pin entwickelt und damit die ohnehin schon vielfältige Schnellladelösung weiterentwickelt.  
       

Fazit

Die Abbildung unten zeigt ein vollständiges Architekturdiagramm des kabelgebundenen Ladens. Jedes Modul ist auf einen Blick klar erkennbar. Sie dient als Zusammenfassung des technischen Teils dieses Artikels.
   
Dieser Artikel stellt kurz die Chip-Lösung für die gesamte Schnellladekette von Mobiltelefonen vor. Viele chinesische Hersteller haben sich hier bereits intensiv mit der Entwicklung auseinandergesetzt und große Fortschritte erzielt. Gleichzeitig zeigt sich jedoch, dass sich die meisten Hersteller derzeit nur auf einen bestimmten Bereich der Schnellladekette konzentrieren und nur wenige Unternehmen eine Komplettlösung für die gesamte Schnellladekette von Mobiltelefonen anbieten können. Betrachtet man die aktuelle Situation im Bereich Schnellladen, werden wohl nur wenige Unternehmen mit großem Einfluss und starker Marktposition, wie beispielsweise Qualcomm, TI und Nanxin, die größten Gewinner in diesem Feld sein.  
Die folgende Tabelle listet einige repräsentative Hersteller verschiedener Funktionsmodule für das Schnellladen von Mobiltelefonen auf.
 

In den letzten Jahren hat sich die heimische Halbleiterindustrie rasant entwickelt. Zum einen sind die technischen Fähigkeiten stetig gereift. Zum anderen trägt die starke Unterstützung durch die nationale Politik und die Mobiltelefonhersteller maßgeblich dazu bei. Zahlreiche Halbleiterhersteller sind wie Pilze aus dem Boden geschossen. Dies ist an sich eine positive Entwicklung, doch um zu wachsen und sich zu behaupten, bedarf es einer gewissen Größe und eines umfassenden Produktportfolios. Nur heimische Unternehmen wie Silicon Power, Shengbangwei und Nanxin können mit der Unterstützung dieses Zeittrends noch weiter wachsen.

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