当前,快充市场正逐步进入整合阶段,慢慢的变多的芯片原厂开始专注于开发多种功能芯片,并将其组合形成完整的快充解决方案,旨在通过套片组合的方式,提供一站式解决方案,简化快充设备的设计流程。
传统的快充电路设计往往需要多个分立的芯片来分别实现不同功能,如电源转换、协议通讯和电源管理,这使得工程师在设计时需要兼顾多种元件之间的配合和调试。而如今,芯片原厂通过推出成套的快充芯片组合,不但可以确保各个模块间的无缝协作,还能够让设计者通过简单的芯片套片配置,快速实现从交流电源到设备端的完整充电链路。
通过整合多种芯片功能,企业能为设备制造商提供更灵活、稳定的设计选项,同时大幅简化研发和生产的全部过程,降低整体开发成本。
充电头网基于过往的拆解报告与新闻资料,汇总了多家芯片原厂推出的AC-DC加协议套片解决方案,并已整理成下表所示。
当前仅列出了这一些企业的一款解决方案,但这并不代表该企业仅有这一款产品可供选择。事实上,也有一些企业已经迈向更高集成度的发展路径,成功开发出全集成的单芯片解决方案,将AC-DC转换、快充协议支持以及电源管理等多个功能模块集成于一体。这种高度集成的芯片不仅仅可以极大地简化产品设计和开发流程,还能提高电源管理的效率,进一步缩短产品的上市时间。
开关电源主控芯片采用芯朋微PN8276W,其内部集成了电流模式控制器和高压启动模块,专用于高性能的快充开关电源。
PN8276W内置Boost电路以适应3~20V的可变宽范围输出应用。该芯片通过检验测试输入电压、输出电压和负载变化自适应切换PWM、强制DCM、PFM和Burst_Mode工作模式,多模式的调制技术和特殊器件低功耗结构技术实现了超低的待机功耗、全电压范围下的最佳效率。频率调制技术和Soft-Driver技术充分保证系统的良好EMI表现。
同时,PN8276W还提供了极为全面和性能优异的智能化保护功能,包括输入欠压/过压保护、输出欠压/过压保护、过温保护、次级整流管短路保护、逐周期过流保护、过载保护等功能。
同步整流控制器丝印86D13,实际为芯朋微PN8600W。其大多数都用在在高性能AC-DC反激系统中驱动次级同步整流MOS管以提升转换效率,适用于CCM、DCM和QR多种工作模式,使系统效率能够完全满足6级能效标准。
当输出电压小于4.3V时,内置的高压启动电路能产生支持系统工作的自供电电压,所以当输出电压从12V到3.3V变化时,PN8600W仍旧能正常工作。PN8600W还集成了极为全面的辅助功能,包含欠压保护、防误关断、防误开启功能。
协议芯片来自芯朋微AP5805W,这是一款高集成度且可编程的快充协议控制器,其内置MCU可经由D+/D-检测多种快充协议并做出相应响应,其可支持BC1.2、SCP-A/B、FCP、QC2.0等协议,适用于3.4-12V输出范围。
AP5805W内集成恒压与恒流双环路控制,以适应性地调整输出电压和输出电流。内置MCU解析终端侧指令,调节恒压与恒流双环路的基准,并通过DAC传递至对应环路。
AP5805W同样集成10-bit ADC监测多项信息,例如输出电压、输出电流、外置OTP等,并将监测到的信息发送至内置MCU以供监控。其一整套的保护包含可编程过温保护,适应性过压保护、适应性欠压保护以及D+/D-的过压等保护,可有效保护供电设备与充电设备的安全性。
华源智信推出了一款待机零功耗的PD快充方案,主要由华源智信自研的PWM控制器芯片HY1662、同步整流控制器HY923以及PD控制器芯片HY5501构成。通过将多个功能模块整合到一个紧凑的设计中,该方案不仅提高了设备的性能,还明显降低了能源消耗。
华源智信产品是通过组合形式实现零待机(小于5mw),在空载时候切断光耦,能轻松实现总系统在待机时的功耗为4.5~4.8mW,能够完全满足零待机,但余量不大。因此通过降低同步整流器的损耗,即通过协议切断同步整流待机通电,可以让总系统的待机损耗降至3.X mW,剩余1.X mW的裕量,以此来实现产品的量产化。
HY923是一款智能数字控制同步整流控制器,作为二极管模拟器工作。HY923可以在正端或负端应用,关断速度快,反向尖峰电压低,耐压150V,驱动能力强,驱动电压钳位在7V,启动时驱动下拉功能,具有积分功能以避免同步整流误开通。
HY923可以驱动标准N通道功率金属氧化物半导体场效应晶体管,以替代肖特基二极管,实现高效率。HY923采用数字控制技术,以优化在不同应用中的DCM / PFM / CCM / QR多模式操作。数字控制技术逐渐增强了稳健的CCM操作。
自适应预关断方案不仅确保了快速切换,还最小化了开关损耗。自适应预关断方案通过软SR MOSFET关断过渡,优化了电磁干扰(EMI)。通过INTG引脚可配置的电压-时间阈值,避免了在DCM/QR模式下由于寄生环路引起的SR MOSFET误触发切换。
HY923集成了多种功能,能够大大减少BOM并优化性能,提供SOT23-6封装。
华源智信HY1662是一款用于电源管理和电压调整的PWM控制器芯片,其主要负责监测输入电压并控制输出电压以保持稳定。
HY1662内置通信协议,在收到ZP信号后可进入低功耗式,驱动MOS或GaN针对Coo1Mos有自适应智能驱动,HY1662可以高压启动+低漏电,全QR操作,最高频率200K,具有高达55V的工作电压,适应输出电压范围非常宽。
HY1662在该方案中旨在实现低于5毫瓦的待机功耗和50微安的待机电流。其集成了精密的恒压(CV)控制方案,支持脉冲模式控制、PFM(脉冲频率调制)、DCM(降压模式)和QR(恒定导通时间)等多种控制模式,并具有频率抖动、自适应MOSFET栅极驱动和热关断电路等功能。
HY1662还集成了丰富的保护和功能,如线路补偿、输出过电压保护、过温保护、上电和断电保护以及感应电阻器开路保护,同时提供SOP7封装。
HY5501是一款嵌入式32位微控制器,拥有32KB的闪存、64位e-Fuse ROM和2KB的静态随机存储器(SRAM),是一款高性能的可编程PD控制器芯片,这款芯片已经获得了PD3.1 SPR 认证,TID:9887,适用于快充适配器、移动电源等领域。
HY5501内部集成了CC/CV环路补偿、电缆损耗补偿和控制方案,可以编程支持各种专有协议,如PD/PPS、Qualcomm QC2.0/3.0、PE2.0等。HY5501内置的TYPE-C协议支持在插入TYPE-C设备时的自动唤醒系统。它可以自动识别设备的插入和拔出,以及设备的充电/放电属性。
HY5501设计高度集成,外部组件非常少,具有欠压保护(UVP)、过流保护(OCP)、过压保护(OVP)和过温保护(OTP)等多种保护模式,让系统的可靠性大大提高。
上图展示的是HY5225,这是华源智信专门为三星定制的料号名称。实际上,它与HY5501是同一颗芯片。HY5501提供QFN24封装,具有尺寸小、重量轻、高度集成等优点,适用于高密度安装和高频应用。
开关电源PWM控制器采用英飞凌CYPAP111A3,是一款集成度很高的解决方案,内置高压启动和X电容放电,适用于反激适配器应用。
英飞凌CYPAS111AB,属于EZ-PD PAG1系列新产品PAG1S,芯片内部集成同步整流和协议功能,集成VBUS开关管和同步整流管驱动,无需外置协议芯片,集成度高。这款芯片还采用变压器进行反馈,搭配英飞凌PAG1P初级芯片使用。
魅族这款充电器采用了英集芯快充电源方案,由英集芯IP2006H初级主控芯片,并搭配使用IP2002TS同步整流芯片和IP2333协议芯片组成。
通过对PCBA模块的观察发现,这款充电器采用反激架构,宽范围电压输出,输出电压由协议芯片通过光耦反馈调节。初级主控芯片,同步整流芯片和协议芯片均来自英集芯。
英集芯IP2006H是一款高性能多模式反激控制器,芯片具备频率折返和谷底导通技术,并支持自适应开关频率,提高轻载效率,最大开关频率得到优化,降低温升,并提高满载效率。
IP2006H还具备突发模式,能够在轻载和空载下降低待机功耗,满足CoC V5和DoE VI标准,芯片具备完善的保护功能,包括Brown-in/Brown-out、输出过压保护、输出欠压保护、VDD过压保护、输入过压保护和过热保护,并且支持参数定制,支持过功率保护,采用SOT23-6封装。
英集芯同步整流芯片IP2002TS,芯片内部集成同步整流控制器和65V耐压,8mΩ导阻的同步整流管,支持CCM、DCM和QR反激,用于取代肖特基二极管,提高电源的转换效率,芯片支持高侧和低侧同步整流应用,符合CoC V5和DoE VI。
IP2002TS内置稳压电路,无需外部辅助绕组供电。芯片仅需一个电阻和一个电容,外围元件极简。IP2002TS支持3.3-12V宽范围输出应用,非常适用于快充充电器和电源适配器应用,采用SOP8L封装。
英集芯协议芯片IP2233是一颗USB接口的快充芯片,芯片支持QC3.0/2.0快充,支持MTK PE快充,支持BC1.2充电协议。芯片支持NTC过热保护,具备DP、DM引脚过电压保护,具备DP、DM引脚弱短路保护,采用SSOP10封装。
这款140W方案采用SW1108+SW1608+SW3566+SW3536*2的设计,采用2A+2C接口设计,这一方案设计充分的利用了各芯片的优势,让整体方案集成度大大提升。
在这一款方案中,SW1108作为集成氮化镓直驱的高频准谐振反激控制器,极大提升了电路的转换效率,同时减少了外部元件的需求。SW1608作为同步整流驱动控制器,专为离线式反激变换器的副边同步整流管驱动设计,从而逐步优化系统的能效。双口充电SOC芯片SW3566和两颗多快充协议芯片SW3536则分别负责控制不同的充电接口,支持多种快充协议,支持USB-A和USB-C的双口快充输出,并且支持独立限流,保障每个接口的充电性能。
经过实测,这款方案的尺寸为67.3*69.4*21.93mm,重量约为144.6g,功率密度达到1.36 W/cm³,具备优异的功率体积比。
美思半导体初次级全集成方案SimpleTOP平台,该平台包含两个基本的产品系列:SimpleGaN系列内置氮化镓(GaN)器件,SimpleFET系列则内置MOSFET器件,均旨在提供高性能、高集成、低成本的快充解决方案。
SimpleGaN系列芯片基于SimpleTOP平台的新一代数字智能化处理架构,该系列芯片具有超高的集成度和性能,将原边控制器+ 高压GaN + 隔离通讯 + 次级SR 控制器 + 协议等功能集于一身,并专对于快充方案进行了优化,只需要极少的外部元件便能构建出高效的快充电源系统,实现从控制到输出的全方位集成。
SimpleGaN系列采用准谐振(QR)控制模式,搭载了先进的数字控制技术,通过智能化算法可实现在PWM和PFM模式下无缝切换,在不同负载条件下可有效提高系统效率并有效抑制EMI干扰。内置的DSP核心提供极高的运算能力,可以依据负载需求灵活调整系统的开关频率、占空比和原边IPeak电流,实现精准的恒压恒流输出,确保整个电源系统保持最佳的转换效率。
SimpleGaN系列芯片支持多种市面主流快充协议,包括PD3.1、UFCS、QC2.0/3.0/3.0+、MTK-PE+、SFCP以及SCP、AFC和Apple 2.4A等专有协议;内置的VIsync数字校准技术大幅度的提高了输出电压和电流的精度,并通过Burst-Sense原边-副边隔离通信技术实现了完全数字化的反馈系统,消除了传统模拟电源设计中所需的反馈补偿网络,不仅有效简化了电路设计,同时提高了系统在各种负载条件下的稳定性,很适合高效快充的应用场景。
封装方面,SimpleGaN系列全集成芯片采用美思半导体专门开发的Mssop20封装,具有超高耐压及绝缘距离。SimpleGaN系列在兼顾安全性与性价比的前提下具备更低的系统成本及能轻松实现更加极致的功率密度,并且整体的性能更的优秀。整体的电路结构非常的精简,通过一颗芯片就能解决所有的问题。
开关电源PWM控制器来自Dialog,iW9801,是一颗高性能的数字化开关电源反激控制器,支持零电压开关和自适应的多模式控制运行,搭配次级控制器可实现高功率密度和高输出精度的设计。iW9801可搭配Dialog的次级侧控制器共同使用,提供低于20mW的空载功耗。
协议芯片同样来自Dialog,型号iW709,为次级侧控制器,与iW9801搭配使用。iW709支持USB PD3.0和PPS,支持高通QC4+快充,集成协议,VBUS通路管驱动和同步整流控制器以及二次侧稳压控制在一颗芯片中。支持多级电压输出。
iW709还内置了同步整流控制器以及驱动,使用外置的MOS整流,取代传统的肖特基二极管整流。同步整流控制器优化了开通/关闭时序,并使用私有的时序控制技术,可用于ZVS和ACF拓扑,并提供最佳的效率。反馈信号由模拟信号转换成数字信号,并由光耦传输到初级控制器。
参考设计采用南芯POWERQUARK系列全集成芯片,型号SC3107C,芯片内置南芯自研的全集成封装技术,内置高速隔离数字通讯技术,集成次级控制软开关技术和次级控制主动式同步整流技术,并集成多标准快充协议兼容技术。一颗芯片能轻松实现传统充电器中原边控制器+GaN器件+隔离光耦+同步整流控制器和协议芯片五种独立功能。
POWERQUARK系列芯片的高集成度大幅度减少充电器外围元件数量,具备开发周期短,产品性能好价格低的优势。芯片内置的高速数字隔离通信模块SC-PQLINK,不仅带来比光耦更高的系统可靠性,同时还实现了次级控制。芯片利用次级控制优势实现了原边软开关和主动式同步整流,提升了电源的整体效率,并降低散热要求。
芯片内部还集成协议功能,支持UFCS融合快充,PD快充以及私有协议定制,满足主流市场需求。芯片内部集成供电过压保护,逐周期电流限制,输出欠压保护,输出过压保护,输出过电流保护和输出短路保护。内部还集成软启动,最高工作频率为175KHz。芯片采用SSOP38L封装,支持65-140W PD快充应用。
伴随各大芯片原厂不断推出AC-DC加协议套片的解决方案,快充市场正迈向高度集成化和标准化的发展阶段。这些方案可以大大降低设计的复杂性,并提升电源管理的效率和整体系统的稳定性。通过集成多个功能模块,芯片厂商为终端设备厂商提供了更多灵活性与兼容性,使得快充产品的开发周期得以大幅度缩短,也为用户更好的提供了更稳定和高效的快充体验。
与此同时,部分技术领先的企业慢慢的开始开发全集成单芯片解决方案,将更多的功能组合进一个芯片中,进一步简化了设计流程。这类高度集成的芯片不仅仅可以满足当前市场对快充方案的小型化、低功耗和高效能的需求,还预示着未来快充技术的标准化趋势。这将大大推动整个产业链的发展,带动更多企业在快充领域加速创新。
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