최근 몇 년 동안 휴대폰 고속 충전 기술은 매우 빠르게 발전해 왔으며, 특히 국내 5대 휴대폰 브랜드는 충전 성능과 속도 면에서 애플과 삼성을 능가했습니다. 이에 따라 고속 충전 칩 제조업체들은 기술과 제품을 지속적으로 개선하고 새로운 제품을 출시하고 있습니다.  
아날로그 칩 분야의 세계적인 거대 기업인 텍사스 인스트루먼트(TI)는 전력 관리 시장에서 오랫동안 독보적인 위치를 차지하며 업계의 벤치마크 역할을 해왔습니다. 또한, 휴대폰 고속 충전 시장에서도 막강한 영향력을 행사하고 있습니다. 그러나 최근 몇 년 동안 국내 충전 칩 제조업체들의 기술력과 연구 개발 능력이 크게 향상되었고, 국제적인 환경 변화와 국가 정책 지원에 힘입어 상당한 발전을 이루었습니다. 난신(Nanxin), 시디마이크로(Xidi Micro) 등 몇몇 신흥 국내 반도체 기업들은 휴대폰 고속 충전 시장에서 눈부신 성과를 보여주고 있습니다.  
고속 충전은 중고급 스마트폰의 필수 기능이 되었으며, 스마트폰 가격에서 큰 비중을 차지하기도 합니다. 이는 충전 헤드, 인터페이스, 충전 케이블, 고속 충전 칩, 배터리 커넥터, 배터리 셀 등 전력 관련 부품과 고속 충전의 핵심인 통신 프로토콜을 포함하는 복잡한 시스템 프로젝트입니다. 고속 충전을 위해서는 전력 관련 모든 부품이 높은 효율과 높은 출력을 달성해야 하며, 어떠한 결함도 발생해서는 안 됩니다.  
이 글에서는 충전 헤드, 휴대폰 고속 충전 칩, 프로토콜 솔루션 등을 포함한 휴대폰 고속 충전 솔루션의 풀링크 칩 기능 모듈에 대해 소개합니다.  
       

충전 헤드

충전 헤드는 전체 고속 충전 시스템의 에너지 공급원입니다. 초기 2.5W에서 현재 최고 200W까지 비약적인 발전을 거듭해 왔으며, 최신 GAN 소재의 지원으로 효율은 더욱 높이고 크기는 더욱 작게 만들 수 있었습니다.  
아래 그림은 AC/DC 솔루션의 블록도입니다. 이 솔루션은 주로 1차측, 2차측, 프로토콜의 세 가지 제어 모듈과 변압기, 절연 피드백 장치 등으로 구성됩니다. 전력 레벨에 따라 적절한 구성 요소를 선택하여 다양한 전력 요구 사항과 고객 니즈를 충족할 수 있습니다.  
   
AC/DC 컨버터는 대부분 고전적인 플라이백 아키텍처를 채택합니다. 고출력 환경에서는 효율을 더욱 향상시키고 출력을 높이기 위해 소프트 스위칭, 질화갈륨 소자, PFC(역률 보정) 등의 기술이 사용됩니다.
우리가 본 소형 립스틱 모양 충전 헤드, 비스킷 모양 충전 헤드 등 중 일부는 질화갈륨 MOS 및 평판형 변압기와 같은 많은 신소재 및 기술을 사용합니다.  
충전기 시장은 과거에는 외국 브랜드와 대만 브랜드가 주도했습니다. 외국 브랜드로는 ON, PI, Dialog(iwatt) 등이 주로 1차 및 2차측 부품을 생산하고, Infineon(Cypress)은 주로 계약 판매를 담당했습니다. 대만 브랜드로는 Tongjia, Angbao 등이 종합 솔루션을 제공했습니다.  
최근 몇 년 동안 SiLijie, Jiehuat, Xinpengwei, Shilanwei 등과 같이 주로 1차 및 2차측 부품을 전문으로 하는 국내 제조업체들이 AC/DC 분야에서 빠르게 발전해 왔으며, Yingjixin, Zhilong, Huinengtai 등은 주로 계약 방식을 채택하고 있습니다. 특히 상하이 난신은 완벽한 솔루션을 제공하는데, 그중에서도 난신은 3세대 질화갈륨 직구동 솔루션을 완벽하게 갖추고 있다는 점이 주목할 만합니다.  
       

휴대폰에 고속 충전 칩 탑재

휴대폰의 고속 충전 솔루션은 전체 충전 과정에서 핵심적인 역할을 합니다. 주요 기능은 충전기에서 전달되는 에너지를 효율적으로 변환하여 배터리 셀이 수용할 수 있는 방식으로 충전하고, 일련의 감지 및 보호 기능을 수행하는 것입니다.  
효율성은 항상 휴대폰 고속 충전을 제한하는 가장 큰 병목 현상이었습니다. 휴대폰은 공간이 매우 제한적이고 사용자 경험을 고려해야 하기 때문에 발열은 매우 큰 문제입니다.  
  지금까지 휴대폰 충전 아키텍처는 세대에 걸쳐 발전해 왔습니다.    
 

• 선형 충전
• 스위치 충전
• 차지 펌프 충전

스마트폰에서 선형 충전 방식은 완전히 사라졌으며, 극히 저가형 피처폰에서만 여전히 사용되고 있습니다.  
스위치 충전 방식은 현재 휴대폰 충전의 주류입니다. 효율은 일반적으로 88%에서 92% 사이이며, 충전 전력은 약 18W입니다. 예를 들어, TI의 BQ2560x는 범용 메인 충전기로, 예비 충전, 최대 18W의 정전류 충전 단계, 그리고 최종 충전 단계까지 모든 과정을 완료할 수 있습니다.  
휴대폰에서 메인 충전기는 일반적으로 플랫폼의 PMI(휴대폰 충전기 모듈)에 통합되어 있습니다. 일부 제조업체는 열 발산 및 사용자 경험 향상을 위해 추가적인 스위치 충전 칩을 추가하기도 합니다.  
MPS의 MP2762, TI의 BQ25790, 그리고 난신(Nanxin)의 SC8982와 같은 일부 특수 솔루션은 더 높은 효율을 달성할 수 있습니다. SC8982는 이중 스트링 배터리용 승압 및 강압 충전 솔루션으로 최대 약 95%의 효율을 달성할 수 있습니다.  
스위치 충전은 2세대 충전 솔루션이지만, 여전히 기술적으로 많은 어려움이 있습니다. 이를 제대로 구현할 수 있는 국내 제조업체는 많지 않습니다. 현재 모바일 플랫폼 업체와 TI가 시장을 독점하고 있으며, 국내 제조업체로는 실리콘파워, 성방마이크로, 난신 등이 대표적입니다.  
차지 펌프 충전은 현재 중고급형 스마트폰의 고속 충전을 위한 유일한 솔루션입니다. 일반적으로 약 97%의 초고효율을 자랑하며, 정전류 충전 방식의 보조 충전 방식으로 사용됩니다.  
차지 펌프의 과학적 명칭은 "고전압 직류 충전"입니다. 직류 충전에 대해 이야기할 때, 국내 전원 공급 분야의 선구자인 OPPO의 "저전압 직류 충전" 기술을 빼놓을 수 없습니다. "고전압 직류 충전"은 바로 이 기술을 기반으로 합니다.  
차지 펌프 충전기는 일반적으로 2:1, 고출력 4:2, 4:1, 초고전압 6:2 등과 같은 전압 비율에 따라 작동합니다.  
2:1 제품은 주로 30~50W의 중간 충전 전력 수준에 사용되고, 4:2는 주로 고출력 듀얼 스트링 배터리 솔루션에 사용되며, 최신 4:1 아키텍처는 고출력 1S 배터리 아키텍처에 사용되어 배터리 충전 속도의 빠른 발전에 따른 이점을 누리고 있습니다.  
ON, Dialog, TI 등이 최초로 차지 펌프 제품을 출시하자 국내 휴대폰 제조업체들은 곧바로 큰 변화를 감지했습니다. 동시에 많은 국내 칩 제조업체들도 적극적으로 이 기술을 도입하여 단기간에 상당한 수준의 기술력을 확보했습니다.  
국내 최초의 양산형 반도체 차지 펌프는 시디 마이크로(Xidi Micro)의 4:2 차지 펌프 칩으로, 간단한 전압 변환에 사용됩니다. 하지만 최초의 양산형 차지 펌프 충전 칩 제조업체는 상하이 난신(Shanghai Nanxin)의 SC8551로, 업계의 고전 칩인 BQ25970과 호환됩니다.  
플랫폼 외에도 여러 제조업체에서 다양한 차지 펌프 제품을 출시했습니다.다음과 같은 해외 브랜드:  
 

• TI: 2:1、4:2 충전기
• Lion: 2:1 충전기; 4:2 변환기; 6:2 변환기 (최근 Cirrus Logic에서 인수)
• 맥심: 2:1 변환기

  국내 브랜드는 다음과 같습니다.    
 

• 난신: 2:1 충전기(30W/40W); 프로토콜 지원 2:1 충전기; 2:1 변환기; 4:2 변환기; 4:2 충전기; 4:1 충전기; 6:2 변환기;
• Xidiwei: 2:1 충전기; 4:2 변환기
• 실리콘 리지에: 2:1 충전기; 4:2 충전기
• 칩맥스: 2:1 충전기 (구 실리콘 미투스, 올해 국영기업에 인수됨)
• 성 본웨: 2:1 충전기;

차지 펌프 충전기는 배터리에 고출력 충전을 직접 제공하기 때문에 안전 요구 사항이 매우 높습니다. 브랜드 휴대폰 제조업체들은 이러한 제품의 도입에 매우 신중을 기하고 있습니다. 현재 국내 제조업체 중 플랫폼 및 TI를 제외하고는 난신(Nanxin)에서 공급받은 제품만 상당수 보유하고 있습니다. 최근 분해 보고서를 보면 여러 브랜드의 휴대폰에 난신의 새로운 차지 펌프 제품이 많이 사용되고 있는 것을 확인할 수 있습니다. 이러한 제품의 특수성 때문에 선두 제조업체들의 시장 점유율은 높을 것으로 예상되며, 후발 주자들이 시장에 진입할 가능성은 희박합니다.  
아래 그림은 휴대폰의 고속 충전 솔루션 블록도이며, 충전 프로토콜 칩 솔루션도 포함되어 있습니다.  
   
       

충전 프로토콜

고속 충전의 핵심은 프로토콜입니다. 고속 충전 과정 전반에 걸쳐 휴대폰 시스템과 충전 헤드는 실시간으로 통신해야 하며, 전압/전류를 실시간으로 정확하게 조정하고 모니터링해야 충전 펌프의 고속 충전 과정이 구현됩니다.  
  현재 각 주요 휴대폰 브랜드는 다음과 같은 자체적인 비공개 계약을 맺고 있습니다.  

• 샤오미의 CC 기반 자체 프로토콜;
• 화웨이/아너 SCP;
• 반대 VOOC;
• VIVO의 플래시 충전기;
• 트랜션의 I2C 프라이빗 프로토콜 등

  모바일 플랫폼은 다음과 같은 자체 프로토콜 솔루션을 가지고 있습니다.  

• 퀄컴의 QC 시리즈
• MTK의 PE

  물론, 다음과 같은 전문적인 협약 동맹도 있습니다.  

• 미국 USB-IF의 PD;
• 국내 그린 리그의 UFCS.

대부분의 휴대폰 프로토콜 칩은 플랫폼이나 MCU를 통해 구현됩니다. 하지만 잉지신(Yingjixin), 웨이취안(Weiquan)의 QC 프로토콜 칩, 리히텍(Richtek)의 PD PHY 등과 같이 맞춤형 구현이 필요한 특수한 경우도 있습니다.  
중국 자체의 상호 운용성 협약인 UFCS는 미래에 대해 전반적으로 낙관적이며, 주요 제조업체들의 지원을 받을 계획입니다. 몇몇 제조업체 외에도 실리콘파워, 난신, 락칩, 앙바오, 치펑마이크로 등 여러 기업들이 연합에 참여하여 UFCS 협약 제정 및 칩 개발에 적극적으로 참여하고 있습니다. 장기적으로는 다양한 프로토콜들이 하나의 플랫폼으로 통합될 것입니다.  
프로토콜 칩은 휴대폰과 충전기 모두에 있어야 합니다. 휴대폰 내부의 프로토콜 칩에 대해서는 이전 장의 블록도를 참조하십시오. 다음은 충전기에 내장된 프로토콜 칩의 기본 작동 원리를 나타낸 그림입니다.  
   
       

인터페이스 및 케이블

고속 충전 요구 사항에 따라 충전 링크의 다양한 칩 모듈을 업그레이드해야 할 뿐만 아니라, 인터페이스와 케이블 또한 임피던스와 발열을 줄이기 위해 특별한 처리가 필요합니다.
보급형 고속 충전은 일반적으로 비용이 가장 저렴하기 때문에 30W(또는 22.5W)로 정의됩니다. 이 전력 수준은 표준 케이블의 3A 전류 처리 용량을 기준으로 정해집니다.  
휴대폰 충전 인터페이스는 기본적으로 C 포트로 통합되었으며, 케이블은 크게 A-C와 C-C 두 가지 종류로 나뉩니다. 6A 이상의 전류 용량을 가진 케이블은 고출력 충전을 위한 표준 장비가 되었지만, 케이블 내부에 전류 용량을 식별하는 e-마크가 부착되어 있어야 합니다. 그런데 우리의 근면하고 용감한 중국인들은 CC 핀이 추가된 A-C 포트 케이블을 개발하여, 이미 다채로운 고속 충전 솔루션에 새로운 변화를 더했습니다.  
       

맺음말

아래 그림은 유선 충전의 전체 엔드투엔드 아키텍처 다이어그램입니다. 각 모듈이 명확하게 표시되어 있어 한눈에 알아볼 수 있습니다. 이 그림은 본 ​​문서의 기술 아키텍처 부분을 요약해서 보여줍니다.
   
이 글에서는 휴대폰 고속 충전 전체 링크에 대한 칩 솔루션을 간략하게 소개합니다. 국내 여러 제조사들이 이미 이 분야에 심도 있는 준비를 마치고 상당한 진전을 이루었습니다. 하지만 대부분의 제조사들이 고속 충전 링크의 특정 영역에만 집중하고 있으며, 휴대폰 고속 충전 링크 전체에 대한 완벽한 솔루션을 제공할 수 있는 기업은 소수에 불과합니다. 현재 고속 충전 시장 상황을 보면 퀄컴, TI, 난신과 같이 영향력과 기술력이 막강한 몇몇 기업만이 이 분야의 최대 승자가 될 것으로 예상됩니다.  
다음 표는 휴대폰 고속 충전의 다양한 기능 모듈을 제조하는 대표적인 제조업체들을 나열한 것입니다.
 

최근 몇 년 동안 국내 반도체 산업은 급속도로 발전해 왔습니다. 이는 기술력이 점차 성숙해진 데다, 국가 정책과 휴대폰 제조업체들의 강력한 지원 덕분이기도 합니다. 수많은 반도체 업체들이 마치 비 온 뒤 버섯처럼 생겨났는데, 이는 물론 긍정적인 현상이지만, 더욱 성장하고 강해지려면 일정 규모와 포괄적인 제품 라인을 갖춰야 합니다. 실리콘파워, 성방웨이, 난신과 같은 국내 기업들만이 이러한 시대적 흐름의 지원을 받아 더욱 높은 곳으로 도약할 수 있었습니다.

면책 조항: 본 기사는 "반도체 산업 관찰"에서 발췌한 내용입니다. 본 기사는 필자의 개인적인 견해일 뿐이며, 사코마이크로 및 업계의 공식적인 입장을 대변하는 것은 아닙니다. 지적 재산권 보호를 위해 재인쇄 및 공유를 허용하며, 재인쇄 시 원문 출처와 필자를 반드시 명시해 주시기 바랍니다. 저작권 침해 사항이 있을 경우 삭제를 위해 당사에 연락 주시기 바랍니다.

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