充電管理芯片的爭(zhēng)奇斗艷

智能手機(jī)發(fā)展到2023年，國(guó)內(nèi)的上下游產(chǎn)業(yè)鏈早已成熟。無(wú)論是手機(jī)廠商，還是模塊廠商，甚至在芯片、元器件領(lǐng)域，也有不少優(yōu)秀的國(guó)產(chǎn)芯片廠商殺出重圍，在各自的細(xì)分領(lǐng)域成為龍頭企業(yè)。對(duì)于手機(jī)領(lǐng)域的關(guān)注，除了性能本身以外，眾廠商在充電速度、充電形式等領(lǐng)域也在不斷地明爭(zhēng)暗斗，充電管理芯片的重要性也因此不言而喻。

本文將從充電管理芯片的角度，分析一家國(guó)產(chǎn)芯片廠商及一家國(guó)際廠商的產(chǎn)品、技術(shù)和趨勢(shì)。它們就是國(guó)內(nèi)電荷泵芯片龍頭——南芯科技；全球功率系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的半導(dǎo)體領(lǐng)導(dǎo)者——英飛凌?？匆豢催@兩家廠商在充電管理芯片領(lǐng)域分別有著怎樣的建樹。

開關(guān)充電、電荷泵、直充，以及無(wú)線充電

通常來(lái)說(shuō)，手機(jī)充電技術(shù)方案有開關(guān)充電、電荷泵及直充三種，電荷泵為主流大功率充電方案。三種方式中，開關(guān)充電是必備基礎(chǔ)選項(xiàng)，后兩種方案則支持大功率充電。

受限于充電效率，開關(guān)充電通常只作為手機(jī)內(nèi)部器件用于手機(jī)充電管理，且一般不超過(guò)18W的充電場(chǎng)景，需要使用通用的充電管理芯片。

如果需要達(dá)到 18W 以上的功率時(shí)，就需要在配備開關(guān)充電的基礎(chǔ)上額外采用電荷泵或直充方案中的一種。電荷泵方案通過(guò)降壓擴(kuò)流實(shí)現(xiàn)大功率充電，目前可支持200W 充電，是 22.5W 以上手機(jī)大功率充電的主流解決方案；直充方案通過(guò)提高輸入電流實(shí)現(xiàn)大功率充電，當(dāng)前不少方案支持 50-80W 的充電功率，但成本更高。

與帶電感的開關(guān)電源不同，電荷泵利用開關(guān)電容實(shí)現(xiàn)，不需要外接電感，因此導(dǎo)通損耗大幅降低，能量效率通常能達(dá)到 97%甚至更高，在用于大功率充電時(shí)優(yōu)勢(shì)較為明顯。與直充方案相比，電荷泵方案不需要對(duì)充電接口和充電線纜進(jìn)行專門定制，系統(tǒng)成本較低且兼容性也比較強(qiáng)。但電荷泵解決方案的劣勢(shì)在于調(diào)壓缺乏靈活性，只能整數(shù)倍轉(zhuǎn)換，無(wú)法連續(xù)動(dòng)態(tài)調(diào)配，因此在手機(jī)端仍需要和通用充電管理芯片配合使用。

雖然電荷泵的電路架構(gòu)已有數(shù)十年的歷史，但用于手機(jī)快充方向上的歷史并不久。2017年，隨著USB PD3.0 PPS發(fā)布，多家充電協(xié)議的兼容成為可能，大功率充電市場(chǎng)兼容性也大大提高，電荷泵技術(shù)方案開始快速發(fā)展。行業(yè)內(nèi) 2017 年左右就有40W的電荷泵充電管理芯片推出，至2019年左右推出支持電荷泵充電和低壓直充的手機(jī)充電芯片，2020、2021 年推出不同架構(gòu)支持 120W 充電功率的電荷泵充電管理芯片。到目前已有200W甚至300W的電荷泵芯片推出?？梢哉f(shuō)，電荷泵充電管理芯片的更新與迭代速度非常之快。

至于無(wú)線充電管理芯片，則與通用充電管理芯片、電荷泵充電管理芯片在手機(jī)中并非替代關(guān)系，反而是可以相互協(xié)作。手機(jī)充電需要使用通用充電管理芯片作為基礎(chǔ)配置，在此基礎(chǔ)上，如果采用電荷泵大功率充電方案，則需增加電荷泵充電管理芯片。如果需要增加無(wú)線充電功能，則可通過(guò)增加無(wú)線充電接收模塊來(lái)滿足。

南芯科技——兩年時(shí)間從新品至龍頭

作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的模擬和嵌入式芯片設(shè)計(jì)企業(yè)之一，南芯科技專注于電源及電池管理領(lǐng)域，現(xiàn)有產(chǎn)品已覆蓋充電管理芯片——電荷泵充電管理芯片、通用充電管理芯片及無(wú)線充電管理芯片。另外，也涉及其他電源及電池管理芯片，如DC-DC芯片、AC-DC芯片、充電協(xié)議芯片及鋰電管理芯片等，但不在本文討論范圍內(nèi)，因此不再贅述。

根據(jù) Frost & Sullivan 研究數(shù)據(jù)顯示， 以 2021 年出貨量口徑計(jì)算，南芯科技電荷泵充電管理芯片位列全球第一，升降壓充電管理芯片位列全球第二、國(guó)內(nèi)第一。因此，在電荷泵及升降壓充電管理芯片領(lǐng)域，南芯科技可以算是不折不扣的龍頭企業(yè)。

發(fā)展路徑

2016年，南芯科技成立，同時(shí)推出全對(duì)稱40V降壓雙向充放電芯片SC8801/2并成功量產(chǎn)；
2017年，支持 PD 應(yīng)用的 Buck-Boost升降壓雙向充電管理芯片大規(guī)模量產(chǎn)；
2018年，推出第一款無(wú)線充電IC及第一款協(xié)議IC，部分產(chǎn)品打入小米、三星、OPPO等知名廠商產(chǎn)品；
2019年，推出兼容電荷泵充電和低壓直充的手機(jī)充電芯片；
2020年，推出第一款GaN控制器；
2021年，率先量產(chǎn)120W電荷泵充電管理芯片，滿足手機(jī)廠商對(duì)超大功率芯片的需求；
2022年，通過(guò)IPO登陸科創(chuàng)板；
2023上半年，推出超高功率、6:2架構(gòu)的電荷泵芯片，實(shí)現(xiàn)300W快充功率。

隨著近年來(lái)應(yīng)用于手機(jī)端充電管理并得到快速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)手機(jī)續(xù)航能力及充電速度提出更高的要求。南芯科技2019年推出的電荷泵充電管理芯片正處在當(dāng)時(shí)的風(fēng)口之上，通過(guò)瘋狂捕撈市場(chǎng)，取得全球第一的市場(chǎng)地位。可以說(shuō)，僅用了2年，南芯科技就從“新手”做到了龍頭。

南芯科技電荷泵充電管理芯片覆蓋2:1、4:1、4:2、6:2等多種架構(gòu)，能夠滿足終端設(shè)備22.5W-300W功率的充電需求，充電效率高，溫升小，無(wú)需電感，外圍元件簡(jiǎn)單，可以根據(jù)客戶需要集成USB PD協(xié)議及私有協(xié)議。除滿足充電功能外，南芯科技電荷泵充電管理芯片還支持放電功能，能夠提供正向降壓、反向升壓及直通等多種模式，并且可以搭配無(wú)線充電接收端，實(shí)現(xiàn)高功率無(wú)線充電。

同時(shí)，在安全方面也有所設(shè)計(jì)，產(chǎn)品內(nèi)部集成了多重不同的保護(hù)機(jī)制，以確保充放電過(guò)程安全可靠。目前，南芯科技的電荷泵充電管理芯片已被榮耀、OPPO、小米、vivo、moto、傳音等各大手機(jī)品牌使用。

充電管理芯片可將外部電源轉(zhuǎn)換為適合電芯的充電電壓和電流，并在充電過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電芯的充電狀態(tài)，調(diào)整控制充電電壓、電流，確保對(duì)電芯進(jìn)行安全、高效的充電。

Frost & Sullivan 研究數(shù)據(jù)顯示，2021年全球配備電荷泵充電管理芯片的手機(jī)為4.7億部，配備電荷泵芯片的智能手機(jī)滲透率約為 35%，預(yù)計(jì)到 2025 年電荷泵充電管理芯片在智能手機(jī)的滲透率將提升至 90%。目前配備電荷泵芯片的手機(jī)主要為中高端及以上機(jī)型，而隨著大功率充電方案的普及，手機(jī)品牌廠商之間的競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)推動(dòng)平價(jià)機(jī)型提升充電效率，電荷泵芯片有望在平價(jià)機(jī)型中滲透率提升。因此，電荷泵芯片的市場(chǎng)上升空間仍然不小。南芯科技作為該領(lǐng)域的龍頭企業(yè)也將受益于此。

2023上半年，南芯科技研發(fā)投入1.25億元，同比增加77.52%，公司新增 7 項(xiàng)核心技術(shù)，均為自主研發(fā)，分別是鋰電池監(jiān)測(cè)技術(shù)、零電壓開關(guān)的電荷泵控制技術(shù)、低電壓自啟動(dòng)技術(shù)、次級(jí)控制全集成軟開關(guān) Flyback 技術(shù)、Smart High Side Driver 技術(shù)、汽車級(jí)智能保險(xiǎn)絲技術(shù)和汽車天線 LDO 技術(shù)，且上述技術(shù)均在公司產(chǎn)品上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

目前，雖然南芯科技產(chǎn)品主要應(yīng)用于手機(jī)市場(chǎng)及其他消費(fèi)市場(chǎng)，工業(yè)市場(chǎng)及汽車市場(chǎng)基數(shù)較低，但銷售收入正在逐年增加。隨著產(chǎn)品在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)及市場(chǎng)的突破，工業(yè)、汽車市場(chǎng)似乎也在變得更加樂(lè)觀。

英飛凌——提高功率密度是主旋律

相比南芯科技不到十年便躍居企業(yè)龍頭的事跡，成立于1999年的英飛凌半導(dǎo)體，無(wú)論是規(guī)模還是企業(yè)歷史、文化，都要顯得更加“老謀深算”。憑借數(shù)十年的經(jīng)營(yíng)，英飛凌在半導(dǎo)體行業(yè)多個(gè)細(xì)分領(lǐng)域都擁有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，尤其是功率半導(dǎo)體方向。在關(guān)于手機(jī)快充及無(wú)線充電芯片相關(guān)的問(wèn)題上，英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部的大中華區(qū)應(yīng)用市場(chǎng)管理高級(jí)經(jīng)理胡高明先生及大中華區(qū)應(yīng)用市場(chǎng)經(jīng)理談路坦先生兩位接受了與非網(wǎng)的采訪。

胡高明表示，英飛凌針對(duì)手機(jī)快充及USB PD充電器, 推出了業(yè)界首款混合反激（HFB）控制器，它結(jié)合了QR反激的支持寬電壓輸入/輸出和LLC的軟開關(guān)特性，可大幅提高充電器的功率密度。

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英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部 大中華區(qū)應(yīng)用市場(chǎng)管理高級(jí)經(jīng)理 胡高明

最近，英飛凌還推出最新的PFC和HFB的二合一控制器（XDPS2221/2），可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)轉(zhuǎn)換器無(wú)縫協(xié)同工作和最佳控制，大量減小外圍器件的數(shù)量，減少設(shè)計(jì)的難度。它非常適用于驅(qū)動(dòng)英飛凌的CoolGaN? 器件。高壓CoolGaN? 器件采用了混合漏極與柵極注入技術(shù)（Hybrid Drain Gate Injection），驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，靈活且高可靠，并提供了卓越的動(dòng)態(tài)RDS(ON)性能，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的功率密度。

英飛凌科技XDP數(shù)字電源XDPS2221

綜上所述，提高功率密度是英飛凌在充電管理芯片技術(shù)提升的主旋律。

談路坦認(rèn)為，在無(wú)線充電方面，英飛凌除了推出符合標(biāo)準(zhǔn)化組織WPC Qi標(biāo)準(zhǔn)，還有車規(guī)級(jí)解決方案，以及高功率私有協(xié)議，來(lái)滿足不同功率段的充電需求。英飛凌能提供全套系統(tǒng)方案，包括主控IC，加密IC，全橋MOSFET等核心器件。未來(lái)會(huì)在Auto車規(guī)類無(wú)線充和消費(fèi)類Qi標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)發(fā)力，推出更豐富產(chǎn)品。

英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)應(yīng)用市場(chǎng)經(jīng)理 談路坦

眾所周知，功率半導(dǎo)體是英飛凌非常擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，無(wú)論是早年的硅基MOSFET、IGBT，還是近幾年崛起的第三代半導(dǎo)體——SiC、GaN，英飛凌在業(yè)內(nèi)都有著巨大的話語(yǔ)權(quán)。那么，在充電管理芯片與MOSFET或GaN之間結(jié)合的方面，英飛凌自然也有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

在胡高明看來(lái)，由于英飛凌一直致力于為客戶提供系統(tǒng)級(jí)的解決方案，在充電管理芯片和功率器件的應(yīng)用上積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。在兩者的結(jié)合方面，英飛凌針對(duì)不同客戶的需求，可提供不同的組合的解決方案。如之前提到的，其混合反激控制器XDPS2221/2, 可直接驅(qū)動(dòng)MOSFET或高壓CoolGaN?，滿足不同需求。未來(lái)，該方案應(yīng)用也將推動(dòng)快充向更大功率和更寬輸出電壓范圍發(fā)展（如5-48V ），進(jìn)而拓展到更多的用電設(shè)備。

在下游應(yīng)用方面，蘋果與安卓?jī)纱笊鷳B(tài)的充電速率的差距近年來(lái)越拉越大。談路坦表示，更多的原因并非技術(shù)限制，瓶頸不在芯片本身，而是各家終端品牌有自己的充電策略和市場(chǎng)產(chǎn)品解讀。

標(biāo)準(zhǔn)化QI2功率定位15W，是通用標(biāo)準(zhǔn)，而非行業(yè)硬性指標(biāo)。中國(guó)工信部法規(guī)也由原來(lái)50W改到80W，各家也有不同的私有協(xié)議。不同廠商對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的解讀和實(shí)際應(yīng)用需求都不一樣。

確實(shí)，隨著近期新款的IPhone15系列手機(jī)發(fā)布及上市，即使搭載Type-C接口，蘋果生態(tài)的充電速率實(shí)測(cè)仍然不超過(guò)30W。

在安卓陣營(yíng)已經(jīng)在追求200W-300W的高功率充電速度時(shí)，蘋果生態(tài)仍然停留在十分之一的速度上，而蘋果用戶對(duì)于這一“落后”指標(biāo)的抱怨聲也似乎并不大，著實(shí)佩服蘋果對(duì)于充電策略的解讀和把控。

同樣，對(duì)于安卓的充電“神速”來(lái)說(shuō)，市場(chǎng)上也會(huì)有人表示擔(dān)憂，過(guò)快的充電速度是否會(huì)有安全隱患。胡高明對(duì)此表示，要實(shí)現(xiàn)60W，120W或更高功率的快充，同時(shí)滿足客戶對(duì)充電器體積和重量的要求，會(huì)給充電器安全性設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)。這就需要更高效，更高集成度和精度的芯片，以及和相匹配的更好散熱更小封裝更低阻抗的開關(guān)器件。目前，英飛凌完全可以提供相關(guān)的系統(tǒng)級(jí)解決方案。那么，至少可以判定，在芯片層級(jí)上，安全因素絕對(duì)是被考慮在內(nèi)的。用戶在日常生活中，按說(shuō)明進(jìn)行使用，應(yīng)該就不太會(huì)有安全隱患。

2022年引發(fā)至今的消費(fèi)電子低潮，仍然在影響著半導(dǎo)體行業(yè)，尤其是手機(jī)業(yè)務(wù)線。理論上說(shuō)，相關(guān)的充電管理芯片也會(huì)受沖擊。不過(guò)，胡高明表示，快充及無(wú)線充也是綠色環(huán)保的重要環(huán)節(jié)，英飛凌持續(xù)看好快充及無(wú)線充的市場(chǎng)前景，后續(xù)市場(chǎng)還會(huì)走向更大功率，更好的便攜性發(fā)展。同時(shí)，英飛凌會(huì)也會(huì)繼續(xù)加大對(duì)充電管理芯片及其功率器件創(chuàng)新技術(shù)的投入。并且，隨著低碳化的發(fā)展，充電管理芯片在其它與電池相關(guān)的產(chǎn)業(yè)，如太陽(yáng)能，儲(chǔ)能，車載充電等方面也具有很大的潛力。英飛凌在這些領(lǐng)域有處于領(lǐng)先地位，也在加大對(duì)這一塊的投入。

寫在最后

面對(duì)日益競(jìng)爭(zhēng)的行業(yè)格局，國(guó)內(nèi)外充電管理芯片的廠商們都在不斷發(fā)力，在產(chǎn)品上爭(zhēng)奇斗艷，希望能切下更大的“蛋糕”。

南芯科技在鞏固自身電荷泵充電管理芯片優(yōu)勢(shì)地位的同時(shí)，正在發(fā)力汽車、工業(yè)等市場(chǎng)。

英飛凌作為電源、功率器件領(lǐng)域的老牌勁旅，計(jì)劃繼續(xù)加大對(duì)創(chuàng)新技術(shù)的投入，結(jié)合先進(jìn)的半導(dǎo)體制造工藝和優(yōu)秀算法，針對(duì)不同的需求，提供系統(tǒng)級(jí)的解決方案。同時(shí)，無(wú)線充應(yīng)用領(lǐng)域，憑借在車規(guī)行業(yè)的口碑和積累，英飛凌成為為數(shù)不多的車規(guī)級(jí)原始設(shè)計(jì)廠商之一。消費(fèi)類方面也擁有規(guī)?；a(chǎn)交付能力，并進(jìn)一步降低制造成本。

其實(shí)談到無(wú)線充，本土廠商美芯晟的無(wú)線充電芯片也頗有名氣，且已在科創(chuàng)板上市。但由于篇幅有限，本文不再展開討論，以后有機(jī)會(huì)筆者再進(jìn)行深入分析。