随着 4G 网络普及、5G 时代的到来，手机的电池容量越来越大，以便满足移动互联网等各种应用高耗能的需求。使用传统充电技术，充电时间越来越长，无法满足日常所需。快充技术应运而生，可以让人们利用碎片时间迅速使电量恢复，逐渐成为越来越多手机的标配。

快充有两种不同的技术路线：高压小电流快充和低压大电流快充。高压快充的代表是高通。高通在 2014 年前后率先推出的 QC2.0 将充电电压从传统的 5V 提高到 9V/12V，充电功率提高到 18W。然而，高压快充存在一个难以克服的不足 - 充电 IC 发热严重。适配器输出的 9V/12V 电压进入手机后会被手机内部的 buck charger 进行二次降压再给电池充电，传统的 buck 变换器由于在高压输入条件下转换效率低，造成芯片发热非常严重，功率无法进一步提升。

低压直充的技术路线代表是 OPPO 和 HUAWEI。OPPO 在 2014 年推出了 VOOC 闪充 22.5W(5V/4.5A)低压快充技术。由于低压快充不需要中间级的电压变换，实现真正适配器给电池“直充”，所以很好地解决了充电 IC 发热的问题。然而，为了解决 MicroB 接口通流能力小、传统充电线材电阻大等问题，低压快充需要专门定制充电接口和充电线，成本高于高压快充方案。

2.  电荷泵快充

电荷泵是一种无电感式 DC-DC 转换器，利用电容作为储能元件来进行电压电流的变换。半压电荷泵(2:1 charge pump) 可以实现输出电压减半、输出电流加倍，同时转换效率可以达到 97%以上，远高于普通的充电 IC，从而很好地解决了高压快充时充电 IC 发热的问题。此外，由于电荷泵可以天然实现输入电流是输出电流一半的效果，所以相对于低压直充方案，线材和接口的成本可以大大降低。

可见，电荷泵快充可以完美化解高压和大电流之间的矛盾，突破手机快充的极限。

图 1. SC8551 典型应用图

3.  SC8551:兼容电荷泵快充和低压直充

SC8551 是南芯针对手机快充市场最新推出的电荷泵快充 IC。作为国内首款高压电荷泵快充 IC，SC8551 还开创实现了高压快充和低压直充双模式充电功能。SC8551 采用 56pin 的 CSP 封装，芯片尺寸为 3.32mm*3.35mm。图 1 为 SC8551 的典型应用图，在充电过程中，SC8551 作为主从充电架构中的从充电 IC，在手机进入快充阶段后开始工作，其主要特点如下：

1.  双模式：具有电荷泵 2:1 降压充电和 bypass 充电两种模式

2.  效率高：在 6A 以上充电电流条件下相较于国外的同类产品效率提高 0.4%

3.  完善的保护机制：26 重保护确保充电安全可靠

a)  双模式

SC8551 同时支持电荷泵 2:1 降压充电模式和低压直充模式。如图 2(a)所示，当工作在电荷泵充电模式时，芯片内部开关管 Q1-Q8 始终处于交替开关的状态，外围的飞电容 CFLY1/2 处于交替充放电的状态，将输入适配器的能量搬移到电池中。稳态工作时，输入电压略高于两倍电池电压，充电电流最大可以支持到 8A。

当 SC8551 工作在 bypass 模式时，如图 2(b)所示，芯片内部开关管 Q1/Q2/Q5/Q6 始终导通，开关管 Q3/Q4/Q7/Q8 始终关闭。此时相当于适配器经过几个串并联的开关管直接给电池充电，只要从 VBUS 到 VOUT 的等效电阻足够小，芯片的温升就可以控制地很低。SC8551 在 bypass 模式下支持的最大充电电流为 6A。

(a)高压电荷泵快充模式

(b)低压直充模式

图 2. SC8551 在不同工作模式下的原理示意图

b)  高效率

考虑到电荷泵快充 IC 的应用主要是在大电流情况下，所以 SC8551 重点优化了 6A 以上充电电流的效率。相较于国外同类产品，重载下的效率提高了 0.4%左右。图 3 为 SC8551 在不同频率下的效率曲线，从图中可以看出，即使充电电流达到 8A，SC8551 的充电效率依然在 96%以上。

图 3. SC8551 工作在电荷泵模式下的效率曲线

图 4 为 SC8551 在 bypass 模式下从 VBUS 到 VOUT 的等效导通电阻曲线。从图中可以看出，等效电阻约为 18mohm。随着充电电流增大，等效电阻略有增加。

图 4. SC8551 工作在 bypass 模式下的导通电阻曲线

图 5 为 SC8551 工作在不同模式下的温升示意图。图 5(a)为电荷泵模式下 8A 充电电流时的温升示意图。从图中可以看出，芯片表面的温升大约为 59.6-25=34.6℃(环境温度约为 25℃)。 图 5(b)为低压直充模式下 6A 充电电流时的温升示意图，芯片表面的温升大约为 44.5-25=19.5℃。

(a)电荷泵模式，VBAT=4.4V，IBAT=8A

(b)低压直充模式，VBAT=4.4V，IBAT=6A
图 5. SC8551 工作在不同模式下的温升示意图
    c) 完善的保护机制

SC8551 内部集成了 26 重不同的保护机制，以确保充电过程安全可靠。保护机制可以分为三类：12 重系统级保护、7 重电荷泵相关保护以及 7 重系统级报警。其中，系统级保护和电荷泵相关保护触发后，SC8551 会停止充电，同时出 INT 中断。系统级报警触发后，同样会出 INT 中断，但是充电不会停止。
 
4. 结论
SC8551 是国内首款高压电荷泵快充 IC，兼容电荷泵快充和低压直充功能。其在电荷泵快充模式下的最大充电电流达到 8A，在低压直充模式下的电流达到 6A。凭借优异的重载效率表现以及全方位的保护机制，使得 SC8551 非常适合应用在手机大功率充电方案中。