近年來，手機快充技術發展迅猛，尤其是國內五大手機品牌，在充電功率和速度方面已經超越了蘋果和三星，這促使快充晶片製造商不斷迭代技術和產品，推出新產品。  
德州儀器作為類比晶片領域的國際巨頭，一直是電源管理市場的領導企業，也是業界競相效仿的標竿。它在手機快充市場也佔據了相當大的份額。然而，近年來，隨著國內充電晶片廠商技術能力和研發能力的顯著提升，以及國際環境的影響和國家政策的支持，它們取得了長足的發展。一些新興的國內半導體企業，如南鑫、西迪微等，在手機快充市場表現特別亮眼。  
快速充電已成為中高階手機的必備功能，同時也佔據了手機成本的很大一部分。這是一個環節眾多的系統工程，包括充電頭、介面、充電線、快充晶片、電池連接器、電芯等各種供電路徑，以及被稱為快充靈魂的通訊協定。供電路徑上的每個環節都必須實現高效率、高功率，才能確保快速充電的實現，而且不能有任何缺陷。  
本文將為您介紹手機快速充電解決方案的全鏈路晶片功能模組，包括充電頭、手機快速充電晶片、協定解決方案等。  
       

充電頭

充電頭是整個快充連結的能量提供者。它經歷了從最初的2.5W到目前最高200W的快速發展。而且，得益於最新GAN材料的應用，其效率更高，體積更小。  
下圖為交流/直流解決方案的框圖，主要由三個控制模組組成：初級側、次級側和協定模組，以及變壓器、隔離回授裝置等。根據不同的功率等級，進行相應的選擇，以滿足不同的功率需求和客戶需求。  
   
AC/DC大多採用經典的反激式架構。在高功率應用情境下，會採用軟開關、氮化鎵裝置、功率因數校正（PFC）等技術來進一步提高效率，進而提升功率輸出。
我們看到的一些微型口紅充電頭、餅乾充電頭等，使用了大量的新材料和技術，例如氮化鎵MOS和平板變壓器。  
In the charging head market, it used to be dominated by foreign and Taiwanese brands. Foreign brands such as ON, PI, Dialog (iwatt), which mainly make primary and secondary sides, and Infineon (Cypress), which mainly handles agreements; Taiwanese brands such as Tongjia and Angbao, which can provide complete solutions, etc.  
近年來，國內本土廠商在交直流轉換器領域取得了快速突破，例如主要從事一次側和二次側的思力捷、捷華、新鵬威、世蘭威等；主要從事協議側的英基鑫、智龍、匯能泰等；以及提供完整解決方案的上海南鑫，特別值得一提的是，南三代氮化解決方案擁有的第三代氮化。  
       

手機中的快速充電晶片

手機快充方案是整個充電系統中的核心環節。它的主要功能是高效轉換充電頭輸出的能量，以電池能夠接受的方式充電，並完成一系列檢測和保護功能。  
效率一直是限製手機快充的最大瓶頸。由於手機空間有限，且必須兼顧使用者體驗，發熱問題就顯得特別棘手。  
  迄今為止，手機充電架構已經經歷了三代發展：    
 

• 線性充電
• switch charging
• charge pump charging

Linear charging has been completely eliminated on smartphones, and only ultra-low-end feature phones are still in use.  
目前，開關式充電是手機的主流充電方式。其效率一般在88%到92%之間，充電功率約為18W。例如，德州儀器（TI）的BQ2560x是一款通用主充電器，可完成預先充電、最高18W的恆定電流充電以及最終充電的完整過程。  
In mobile phones, the main charger is usually integrated within the PMI of the platform. Some manufacturers will add an additional switch charging chip to dissipate heat and achieve a better user experience.  
一些特殊解決方案可以實現更高的效率，例如 MPS 的 MP2762 和 TI 的 BQ25790，以及南信的 SC8982，它是一種用於雙組電池的升壓和降壓充電解決方案，效率可高達約 95%。  
開關充電是第二代充電解決方案，但技術難度依然很高，國內能做好的廠商不多。目前，手機平台和德州儀器是絕對的兩大巨頭，國內廠商主要有矽能、盛邦微和南鑫。  
電荷泵充電是目前中高階手機快速充電的唯一解決方案。它具有極高的效率，通常在97%左右，並作為恆定電流充電過程的輔助充電方案。  
The scientific name of the charge pump is "high-voltage direct charging". When it comes to direct charging, we have to mention OPPO's "low-voltage direct charging" technology, a pioneer in the domestic power supply field. "High-voltage direct charging" is based on this technology.  
Charge pump chargers generally work according to voltage ratios, such as the classic 2:1, high-power 4:2, 4:1, ultra-high voltage 6:2, etc.  
2:1 產品主要用於 30-50W 的中等充電功率等級；4:2 主要用於高功率雙串電池解決方案；而最新的 4:1 架構則用於大功率 1S 電池架構，這也得益於電池充電速率的快速發展。  
自從安森美半導體、Dialog和德州儀器等廠商率先推出電荷幫浦產品以來，國內手機廠商立刻嗅到了巨大變革的氣息。同時，許多國內晶片廠商也積極跟進，甚至在短時間內取得了一定的超越。  
The first domestic semiconductor mass-produced charge pump is a 4:2 charge pump chip from Xidi Micro, which is used for simple voltage conversion; but the first mass-produced charge pump charger chip manufacturer is Shanghai Nanxin's SC8551, which is compatible with the industry classic BQ25970.  
In addition to platforms, several manufacturers have launched a variety of charge pump products.外國品牌，例如：  
 

• TI： 2:1、4:2的充電器
• Lion：2:1 充電器；4:2 轉換器；6:2 轉換器（已被 Cirrus Logic 收購）
• 最大：2:1 轉換器

  國內品牌包括：    
 

• 南鑫：2:1 充電器（30W/40W）；附協定的 2:1 充電器；2:1 轉換器；4:2 轉換器；4:2 充電器；4:1 充電器；6:2 轉換器；
• Xidiwei: 2:1 charger; 4:2 converter
• 矽力傑：2:1 充電器；4:2 充電器
• Chipmax：2:1 充電器；（原名 Silicon Mitus，今年被國營資本收購）
• 聖邦威：2:1 充電器；

電荷泵充電器直接為電池提供高功率充電，因此對安全性要求極高。品牌手機廠商在引進此類產品時都非常謹慎。目前，除了平台和德州儀器（TI）之外，國內廠商大量採購的此類產品主要來自南鑫。從近期的一些拆解報告中可以看出，南鑫的新型電荷泵產品被多個品牌的手機採用。由於該產品的特殊性，領先廠商將保持優勢，後入者的機會渺茫。  
下圖是手機快速充電解決方案的框圖，其中也包括充電協定晶片解決方案。  
   
       

充電協議

The protocol is the soul of fast charging. During the entire fast charging process, the mobile phone system and the charging head must communicate in real time, and the voltage/current must be accurately adjusted and monitored in real time to realize the fast charging process of the charge pump.  
  目前，各大手機品牌都有各自的專屬協議，例如：  

• 小米基於CC的私有協定；
• Huawei/Honor SCP;
• OPPO的VOOC；
• VIVO的閃充；
• 傳音的I2C私有協定等。

  行動平台也有自己的協議解決方案，例如：  

• Qualcomm’s QC series
• MTK的PE

  Of course, there are also specialized agreement alliances, such as:  

• 美國 USB-IF 的 PD；
• UFCS of Domestic Green League.

手機中的大多數協定晶片都是透過平台或微控制器（MCU）實現的。但也有一些特殊情況需要客製化，例如英基鑫、維泉的QC協議晶片、立訊科技的PD PHY等。  
中國自主研發的互通協議－UFCS，對未來發展前景整體樂觀，並計畫得到主要廠商的支持。除部分廠商外，矽能、南鑫、瑞芯微、紅寶、齊鵬電子等也加入了該聯盟，積極參與UFCS協議的製定和晶片的研發。從長遠來看，各種協議將統一整合到該平台中。  
協定晶片需要安裝在手機和充電頭。手機內部的協定晶片請參考上一章的框圖。下圖是充電頭中協定晶片的基本應用示意圖。  
   
       

Interfaces and cables

根據快速充電的要求，不僅充電鏈路上的各種晶片模組需要升級，而且介面和電纜也需要特殊處理，以降低阻抗和發熱量。
入門級快充通常定義為 30W（或 22.5W），因為其成本最低。此功率等級主要基於標準充電線的 3A 電流承載能力。  
手機充電介面基本上統一為C口，充電線也主要分為A轉C和C轉C兩大類。 6A以上電流容量的充電線已成為高功率充電手機的標配，但線材內部需要有E-mark標識來標示電流容量。我們勤奮勇敢的中國人甚至發明了一種帶有額外CC針腳的A轉C口充電線，為原本就豐富多彩的快充方案增添了新的亮點。  
       

結語

下圖是完整的端對端有線充電架構圖。每個模組清晰可見，一目了然。它概括了本文的技術架構部分。
   
本文簡要介紹了手機快充全鏈路的晶片解決方案。國內許多廠商已經在此領域進行了深入佈局，並取得了顯著進展。同時，我們也看到，目前大多數廠商僅專注於快充連結的某個特定環節，只有少數企業具備提供手機快充全鏈路完整解決方案的能力。從目前的快充市場格局來看，只有少數幾家實力雄厚、影響力強大的企業，例如高通、德州儀器和南鑫，才能成為該領域的最大贏家。  
下表列出了一些代表性的手機快速充電功能模組製造商。
 

近年來，國內半導體產業發展迅速。一方面，技術能力日趨成熟；另一方面，也得益於國家政策和手機廠商的大力扶持。眾多半導體廠商如雨後春筍般湧現。這當然是好事，但要發展壯大，就必須具備一定的規模和完善的產品線佈局。只有像矽動力、盛邦威、南鑫這樣的國內企業，才能在這樣的時代潮流的推動下，不斷攀登高峰。

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