近年、携帯電話の急速充電技術は急速に発展しており、特に国内の主要5社は充電電力と速度の面でアップルやサムスンを凌駕し、急速充電チップメーカーは技術や製品の改良を継続的に行い、新製品を投入している。  
アナログチップの国際的な巨人であるテキサス・インスツルメンツは、電力管理市場において常に寡占的な地位を占め、業界の模範となってきた。また、携帯電話の急速充電市場においても確固たる地位を築いている。しかし近年、国内の充電チップメーカーの技術力と研究開発能力が大幅に向上し、国際環境の影響と国家政策の支援を受けて、目覚ましい発展を遂げている。南新、西迪微などの新興国内半導体企業は、携帯電話の急速充電市場で非常に目覚ましい成果を上げている。  
急速充電は、中級から高級スマートフォンの必須機能となり、スマートフォンの価格の大部分を占める要素にもなっています。これは、充電ヘッド、インターフェース、充電ケーブル、急速充電チップ、バッテリーコネクタ、セルなどの電力経路、そして急速充電の要となる通信プロトコルなど、多くの要素が絡み合うシステムプロジェクトです。急速充電を実現するには、電力経路のあらゆる部分で高効率かつ高出力を実現し、一切の妥協があってはなりません。  
この記事では、充電ヘッド、携帯電話用急速充電チップ、プロトコルソリューションなどを含む、携帯電話の急速充電ソリューションのフルリンクチップ機能モジュールについて紹介します。  
       

充電ヘッド

充電ヘッドは、急速充電システム全体のエネルギー供給源です。初期の2.5Wから現在の最高200Wまで、飛躍的な発展を遂げてきました。最新のGaN素材の採用により、効率の向上と小型化が実現しています。  
下図はAC/DC変換ソリューションのブロック図であり、主に一次側、二次側、プロトコルの3つの制御モジュールと、変圧器、絶縁フィードバック装置などで構成されています。電力レベルに応じて適切な選択が行われ、さまざまな電力要件と顧客ニーズに対応します。  
   
AC/DCコンバータは、主に従来のフライバック方式を採用しています。高出力時には、ソフトスイッチング、窒化ガリウム素子、PFCなどの技術を用いて効率をさらに向上させ、出力を増加させます。
これまでに見られた小型の口紅型充電ヘッドやビスケット型充電ヘッドなどの中には、窒化ガリウムMOSやフラットパネルトランスなど、数多くの新しい材料や技術が使用されているものがある。  
充電ヘッド市場は、かつては海外ブランドと台湾ブランドが支配的でした。海外ブランドとしては、主に一次側と二次側を製造するON、PI、Dialog（iwatt）、主に契約を扱うInfineon（Cypress）などがあり、台湾ブランドとしては、トータルソリューションを提供するTongjiaやAngbaoなどがあります。  
近年、国内メーカーはAC/DC分野で急速な進歩を遂げており、SiLijie、Jiehuat、Xinpengwei、Shilanweiなどは主に一次側と二次側を担当し、Yingjixin、Zhilong、Huinengtaiなどは主に協業を担当しています。また、完全なソリューションを提供する上海南新は、第3世代窒化ガリウムダイレクトドライブソリューションも完全に提供していることが特筆されます。  
       

携帯電話の急速充電チップ

携帯電話の急速充電ソリューションは、充電プロセス全体の中核を成すものです。その主な機能は、充電器から送られてくるエネルギーを効率的に変換し、バッテリーセルが受け入れられる形で充電すること、そして一連の検出および保護機能を実行することです。  
効率性は、携帯電話の急速充電を制限する最大のボトルネックであり続けてきた。携帯電話はスペースが非常に限られており、ユーザーエクスペリエンスも考慮する必要があるため、発熱は非常に厄介な問題である。  
  これまでのところ、携帯電話の充電アーキテクチャは3世代にわたる発展を遂げてきた。    
 

• 線形充電
• スイッチ充電
• チャージポンプ充電

スマートフォンでは直線充電方式は完全に廃止され、現在では超低価格帯のフィーチャーフォンのみが使用されている。  
スイッチ充電は現在、携帯電話の主流となっています。効率は一般的に88%～92%で、充電電力は約18Wです。例えば、TIのBQ2560xは汎用メイン充電器で、前置充電、最大18Wの定電流充電、そして最終充電までの一連の充電プロセスを完了できます。  
携帯電話では、メインの充電器は通常、プラットフォームのPMI（パワーマネジメントインターフェース）に統合されています。一部のメーカーは、放熱性を高め、ユーザーエクスペリエンスを向上させるために、追加のスイッチ充電チップを搭載しています。  
MPSのMP2762やTIのBQ25790などの特殊なソリューションでは、より高い効率を実現できます。また、NanxinのSC8982は、デュアルストリングバッテリー用の昇圧・降圧充電ソリューションで、最大約95%の効率を実現できます。  
スイッチ充電は第2世代の充電方式ですが、技術的な難しさが依然として大きく、国内でこれをうまく実現できるメーカーは多くありません。現在、携帯電話プラットフォームとTIが圧倒的な主要プレーヤーです。国内メーカーとしては、主にシリコンパワー、シェンバンマイクロ、ナンシンなどが挙げられます。  
チャージポンプ充電は、現在、中級～高級スマートフォンの急速充電を実現する唯一のソリューションです。一般的に97%前後という非常に高い効率を誇り、定電流充電プロセスの補助的な充電ソリューションとして利用されています。  
充電ポンプの正式名称は「高電圧直接充電」です。直接充電といえば、国内電源分野のパイオニアであるOPPOの「低電圧直接充電」技術に触れざるを得ません。「高電圧直接充電」はこの技術をベースにしています。  
チャージポンプ式充電器は一般的に、電圧比に基づいて動作します。例えば、標準的な2:1、高出力の4:2、4:1、超高電圧の6:2などです。  
2:1製品は主に30～50Wの中程度の充電電力レベルで使用され、4:2は主に高出力デュアルストリングバッテリーソリューションで使用され、最新の4:1アーキテクチャは高出力1Sバッテリーアーキテクチャで使用され、バッテリー充電速度の急速な発展の恩恵も受けています。  
ON、Dialog、TIがいち早くチャージポンプ製品を発売して以来、国内の携帯電話メーカーは大きな変化をいち早く察知した。同時に、多くの国内チップメーカーも積極的に追随し、短期間で一定の優位性を確立した。  
国内初の半導体量産型チャージポンプは、Xidi Micro製の4:2チャージポンプチップで、単純な電圧変換に使用されます。一方、チャージポンプ充電器チップの量産型メーカーとしては、上海南新のSC8551が初めてで、これは業界の定番であるBQ25970と互換性があります。  
プラットフォームに加え、複数のメーカーが様々なチャージポンプ製品を発売している。海外ブランド例：  
 

• TI： 2:1、4:2の充電器
• Lion：2:1充電器、4:2コンバーター、6:2コンバーター（Cirrus Logic社が最近買収）
• マキシム: 2:1コンバータ

  国内ブランドには以下が含まれます。    
 

• Nanxin: 2:1 充電器 (30w/40w); プロトコル付き 2:1 充電器; 2:1 コンバーター; 4:2 コンバーター; 4:2 充電器; 4:1 充電器; 6:2 コンバーター;
• Xidiwei：2:1充電器、4:2コンバーター
• シリコンリジエ：2:1充電器、4:2充電器
• Chipmax：2:1充電器（旧社名：Silicon Mitus、今年国有資本に買収）
• セント・ボンウェ：2対1の充電器。

チャージポンプ充電器はバッテリーに直接高出力充電を行うため、安全性の要求水準が非常に高い。大手携帯電話メーカーは導入に非常に慎重だ。現在、プラットフォームやTIを除けば、国内メーカーは南新（Nanxin）から出荷された製品を多数保有している。最近の分解レポートを見ると、南新の新型チャージポンプ製品の多くが複数のブランドの携帯電話に採用されていることがわかる。この製品の特殊性から、大手メーカーは依然として優位を保ち、後発メーカーが参入する可能性は低いだろう。  
下の図は、携帯電話における急速充電ソリューションのブロック図であり、充電プロトコルチップソリューションも含まれています。  
   
       

充電プロトコル

プロトコルは急速充電の要です。急速充電プロセス全体を通して、携帯電話システムと充電ヘッドはリアルタイムで通信し、電圧と電流をリアルタイムで正確に調整・監視することで、充電ポンプの急速充電プロセスを実現する必要があります。  
  現在、主要な携帯電話ブランドはそれぞれ独自の契約を結んでおり、例えば以下のようなものがある。  

• Xiaomi独自のCCベースのプライベートプロトコル。
• ファーウェイ/オナー SCP;
• OPPOのVOOC；
• VIVOのフラッシュ充電器；
• TranssionのI2Cプライベートプロトコルなど

  モバイルプラットフォームにも、以下のような独自のプロトコルソリューションがあります。  

• クアルコムのQCシリーズ
• MTKのPE

  もちろん、以下のような専門的な協定同盟も存在します。  

• 米国USB-IFのPD（電力密度）
• 国内グリーンリーグのUFCS。

携帯電話に搭載されているプロトコルチップのほとんどは、プラットフォームまたはMCUを介して実装されています。ただし、Yingjixin、WeiquanのQCプロトコルチップ、RichtekのPD PHYなど、カスタマイズが必要な特殊なケースもいくつかあります。  
中国独自の相互運用性協定であるUFCSは、将来性について概ね楽観的な見方を示しており、大手メーカーによる支援を計画している。複数のメーカーに加え、シリコンパワー、ナンシン、ロックチップ、アンバオ、チッペンマイクロなどもアライアンスに参加し、UFCS協定の策定やチップ開発に積極的に携わっている。長期的には、様々なプロトコルが統一され、プラットフォームに統合される予定だ。  
プロトコルチップは、携帯電話本体と充電ヘッドの両方に搭載されている必要があります。携帯電話本体内部のプロトコルチップについては、前章のブロック図を参照してください。以下は、充電ヘッドにおけるプロトコルチップの基本的な応用図です。  
   
       

インターフェースとケーブル

急速充電の要件に基づいて、充電リンク上の各種チップモジュールをアップグレードする必要があるだけでなく、インターフェースやケーブルも、インピーダンスと発熱を低減するための特別な処理が必要となる。
エントリーレベルの急速充電は、一般的に30W（または22.5W）と定義されます。これは、コストが最も低いためです。この電力レベルは、主に標準ケーブルの3Aの電流供給能力に基づいて決定されます。  
携帯電話の充電インターフェースは基本的にCポートに統一され、ケーブルは主にA to CとC to Cの2種類に分けられます。6Aを超える電流容量を持つケーブルは、高出力充電を行う携帯電話の標準装備となっていますが、電流容量を識別するためにケーブル内部にeマークが必要です。勤勉で勇敢な中国の人々は、CCピンを追加したA to Cポートケーブルを発明し、既に多彩な高速充電ソリューションに新たな工夫を加えました。  
       

結論

下の図は、有線充電のエンドツーエンドのアーキテクチャ図です。各モジュールが明確に表示され、一目で理解できます。これは、この記事の技術アーキテクチャ部分を要約したものです。
   
本稿では、携帯電話の急速充電におけるフルリンク向けチップソリューションについて簡単に紹介する。多くの国内メーカーは既にこの分野で綿密な準備を進め、大きな進歩を遂げている。同時に、ほとんどのメーカーは現在、急速充電リンクの特定の領域にのみ注力しており、携帯電話の急速充電リンク全体に対する完全なソリューションを提供できる企業はごく少数であることも明らかになった。現在の急速充電市場の状況から判断すると、クアルコム、TI、南信といった影響力と実力のある少数の企業だけが、この分野で最大の勝者となるだろう。  
以下の表は、携帯電話の急速充電における各種機能モジュールの代表的なメーカーをいくつか示したものです。
 

近年、国内半導体産業は急速に発展を遂げている。技術力の向上はもちろんのこと、国家政策や携帯電話メーカーの強力な支援も大きな要因となっている。雨後の筍のように多くの半導体メーカーが次々と誕生した。これは喜ばしい現象ではあるが、より大きく、より強固な企業となるためには、一定の規模と包括的な製品ライン構成が不可欠である。シリコンパワー、盛邦威、南新といった国内企業だけが、こうした時代の潮流に支えられ、さらなる高みを目指せるのだ。

免責事項：この記事は「半導体業界概観」からの転載です。この記事は著者の個人的な見解を示すものであり、Sacco Microおよび業界の見解を示すものではありません。転載および共有は、知的財産権の保護を支援するためのみに許可されています。転載の際は、出典と著者名を明記してください。著作権侵害が疑われる場合は、削除いたしますのでご連絡ください。

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