充電管理芯片的爭奇斗艷

智能手機發(fā)展到2023年，國內的上下游產業(yè)鏈早已成熟。無論是手機廠商，還是模塊廠商，甚至在芯片、元器件領域，也有不少優(yōu)秀的國產芯片廠商殺出重圍，在各自的細分領域成為龍頭企業(yè)。對于手機領域的關注，除了性能本身以外，眾廠商在充電速度、充電形式等領域也在不斷地明爭暗斗，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，分析一家國產芯片廠商及一家國際廠商的產品、技術和趨勢。它們就是國內電荷泵芯片龍頭——南芯科技；全球功率系統和物聯網領域的半導體領導者——英飛凌?？匆豢催@兩家廠商在充電管理芯片領域分別有著怎樣的建樹。

開關充電、電荷泵、直充，以及無線充電

通常來說，手機充電技術方案有開關充電、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，開關充電是必備基礎選項，后兩種方案則支持大功率充電。

受限于充電效率，開關充電通常只作為手機內部器件用于手機充電管理，且一般不超過18W的充電場景，需要使用通用的充電管理芯片。

如果需要達到 18W 以上的功率時，就需要在配備開關充電的基礎上額外采用電荷泵或直充方案中的一種。電荷泵方案通過降壓擴流實現大功率充電，目前可支持200W 充電，是 22.5W 以上手機大功率充電的主流解決方案；直充方案通過提高輸入電流實現大功率充電，當前不少方案支持 50-80W 的充電功率，但成本更高。

與帶電感的開關電源不同，電荷泵利用開關電容實現，不需要外接電感，因此導通損耗大幅降低，能量效率通常能達到 97%甚至更高，在用于大功率充電時優(yōu)勢較為明顯。與直充方案相比，電荷泵方案不需要對充電接口和充電線纜進行專門定制，系統成本較低且兼容性也比較強。但電荷泵解決方案的劣勢在于調壓缺乏靈活性，只能整數倍轉換，無法連續(xù)動態(tài)調配，因此在手機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已有數十年的歷史，但用于手機快充方向上的歷史并不久。2017年，隨著USB PD3.0 PPS發(fā)布，多家充電協議的兼容成為可能，大功率充電市場兼容性也大大提高，電荷泵技術方案開始快速發(fā)展。行業(yè)內 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充電芯片，2020、2021 年推出不同架構支持 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，電荷泵充電管理芯片的更新與迭代速度非常之快。

至于無線充電管理芯片，則與通用充電管理芯片、電荷泵充電管理芯片在手機中并非替代關系，反而是可以相互協作。手機充電需要使用通用充電管理芯片作為基礎配置，在此基礎上，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。如果需要增加無線充電功能，則可通過增加無線充電接收模塊來滿足。

南芯科技——兩年時間從新品至龍頭

作為國內領先的模擬和嵌入式芯片設計企業(yè)之一，南芯科技專注于電源及電池管理領域，現有產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、充電協議芯片及鋰電管理芯片等，但不在本文討論范圍內，因此不再贅述。

根據 Frost & Sullivan 研究數據顯示， 以 2021 年出貨量口徑計算，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、國內第一。因此，在電荷泵及升降壓充電管理芯片領域，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，同時推出全對稱40V降壓雙向充放電芯片SC8801/2并成功量產；
2017年，支持 PD 應用的 Buck-Boost升降壓雙向充電管理芯片大規(guī)模量產；
2018年，推出第一款無線充電IC及第一款協議IC，部分產品打入小米、三星、OPPO等知名廠商產品；
2019年，推出兼容電荷泵充電和低壓直充的手機充電芯片；
2020年，推出第一款GaN控制器；
2021年，率先量產120W電荷泵充電管理芯片，滿足手機廠商對超大功率芯片的需求；
2022年，通過IPO登陸科創(chuàng)板；
2023上半年，推出超高功率、6:2架構的電荷泵芯片，實現300W快充功率。

隨著近年來應用于手機端充電管理并得到快速發(fā)展，市場對手機續(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時的風口之上，通過瘋狂捕撈市場，取得全球第一的市場地位。可以說，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，能夠滿足終端設備22.5W-300W功率的充電需求，充電效率高，溫升小，無需電感，外圍元件簡單，可以根據客戶需要集成USB PD協議及私有協議。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，并且可以搭配無線充電接收端，實現高功率無線充電。

同時，在安全方面也有所設計，產品內部集成了多重不同的保護機制，以確保充放電過程安全可靠。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、傳音等各大手機品牌使用。

充電管理芯片可將外部電源轉換為適合電芯的充電電壓和電流，并在充電過程中實時監(jiān)測電芯的充電狀態(tài)，調整控制充電電壓、電流，確保對電芯進行安全、高效的充電。

Frost & Sullivan 研究數據顯示，2021年全球配備電荷泵充電管理芯片的手機為4.7億部，配備電荷泵芯片的智能手機滲透率約為 35%，預計到 2025 年電荷泵充電管理芯片在智能手機的滲透率將提升至 90%。目前配備電荷泵芯片的手機主要為中高端及以上機型，而隨著大功率充電方案的普及，手機品牌廠商之間的競爭將會推動平價機型提升充電效率，電荷泵芯片有望在平價機型中滲透率提升。因此，電荷泵芯片的市場上升空間仍然不小。南芯科技作為該領域的龍頭企業(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 項核心技術，均為自主研發(fā)，分別是鋰電池監(jiān)測技術、零電壓開關的電荷泵控制技術、低電壓自啟動技術、次級控制全集成軟開關 Flyback 技術、Smart High Side Driver 技術、汽車級智能保險絲技術和汽車天線 LDO 技術，且上述技術均在公司產品上實現應用。

目前，雖然南芯科技產品主要應用于手機市場及其他消費市場，工業(yè)市場及汽車市場基數較低，但銷售收入正在逐年增加。隨著產品在各個應用領域技術及市場的突破，工業(yè)、汽車市場似乎也在變得更加樂觀。

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年的英飛凌半導體，無論是規(guī)模還是企業(yè)歷史、文化，都要顯得更加“老謀深算”。憑借數十年的經營，英飛凌在半導體行業(yè)多個細分領域都擁有較大的技術優(yōu)勢，尤其是功率半導體方向。在關于手機快充及無線充電芯片相關的問題上，英飛凌電源與傳感系統事業(yè)部的大中華區(qū)應用市場管理高級經理胡高明先生及大中華區(qū)應用市場經理談路坦先生兩位接受了與非網的采訪。

胡高明表示，英飛凌針對手機快充及USB PD充電器, 推出了業(yè)界首款混合反激（HFB）控制器，它結合了QR反激的支持寬電壓輸入/輸出和LLC的軟開關特性，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事業(yè)部 大中華區(qū)應用市場管理高級經理 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），可實現兩個轉換器無縫協同工作和最佳控制，大量減小外圍器件的數量，減少設計的難度。它非常適用于驅動英飛凌的CoolGaN? 器件。高壓CoolGaN? 器件采用了混合漏極與柵極注入技術（Hybrid Drain Gate Injection），驅動簡單，靈活且高可靠，并提供了卓越的動態(tài)RDS(ON)性能，可進一步提高系統的功率密度。

英飛凌科技XDP數字電源XDPS2221

綜上所述，提高功率密度是英飛凌在充電管理芯片技術提升的主旋律。

談路坦認為，在無線充電方面，英飛凌除了推出符合標準化組織WPC Qi標準，還有車規(guī)級解決方案，以及高功率私有協議，來滿足不同功率段的充電需求。英飛凌能提供全套系統方案，包括主控IC，加密IC，全橋MOSFET等核心器件。未來會在Auto車規(guī)類無線充和消費類Qi標準持續(xù)發(fā)力，推出更豐富產品。

英飛凌電源與傳感系統事業(yè)部大中華區(qū)應用市場經理 談路坦

眾所周知，功率半導體是英飛凌非常擅長的領域，無論是早年的硅基MOSFET、IGBT，還是近幾年崛起的第三代半導體——SiC、GaN，英飛凌在業(yè)內都有著巨大的話語權。那么，在充電管理芯片與MOSFET或GaN之間結合的方面，英飛凌自然也有著獨特的優(yōu)勢。

在胡高明看來，由于英飛凌一直致力于為客戶提供系統級的解決方案，在充電管理芯片和功率器件的應用上積累了豐富的經驗。在兩者的結合方面，英飛凌針對不同客戶的需求，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, 可直接驅動MOSFET或高壓CoolGaN?，滿足不同需求。未來，該方案應用也將推動快充向更大功率和更寬輸出電壓范圍發(fā)展（如5-48V ），進而拓展到更多的用電設備。

在下游應用方面，蘋果與安卓兩大生態(tài)的充電速率的差距近年來越拉越大。談路坦表示，更多的原因并非技術限制，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產品解讀。

標準化QI2功率定位15W，是通用標準，而非行業(yè)硬性指標。中國工信部法規(guī)也由原來50W改到80W，各家也有不同的私有協議。不同廠商對標準的解讀和實際應用需求都不一樣。

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

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

同樣，對于安卓的充電“神速”來說，市場上也會有人表示擔憂，過快的充電速度是否會有安全隱患。胡高明對此表示，要實現60W，120W或更高功率的快充，同時滿足客戶對充電器體積和重量的要求，會給充電器安全性設計帶來一定的挑戰(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器件。目前，英飛凌完全可以提供相關的系統級解決方案。那么，至少可以判定，在芯片層級上，安全因素絕對是被考慮在內的。用戶在日常生活中，按說明進行使用，應該就不太會有安全隱患。

2022年引發(fā)至今的消費電子低潮，仍然在影響著半導體行業(yè)，尤其是手機業(yè)務線。理論上說，相關的充電管理芯片也會受沖擊。不過，胡高明表示，快充及無線充也是綠色環(huán)保的重要環(huán)節(jié)，英飛凌持續(xù)看好快充及無線充的市場前景，后續(xù)市場還會走向更大功率，更好的便攜性發(fā)展。同時，英飛凌會也會繼續(xù)加大對充電管理芯片及其功率器件創(chuàng)新技術的投入。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的產業(yè)，如太陽能，儲能，車載充電等方面也具有很大的潛力。英飛凌在這些領域有處于領先地位，也在加大對這一塊的投入。

寫在最后

面對日益競爭的行業(yè)格局，國內外充電管理芯片的廠商們都在不斷發(fā)力，在產品上爭奇斗艷，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)勢地位的同時，正在發(fā)力汽車、工業(yè)等市場。

英飛凌作為電源、功率器件領域的老牌勁旅，計劃繼續(xù)加大對創(chuàng)新技術的投入，結合先進的半導體制造工藝和優(yōu)秀算法，針對不同的需求，提供系統級的解決方案。同時，無線充應用領域，憑借在車規(guī)行業(yè)的口碑和積累，英飛凌成為為數不多的車規(guī)級原始設計廠商之一。消費類方面也擁有規(guī)?；a交付能力，并進一步降低制造成本。

其實談到無線充，本土廠商美芯晟的無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，以后有機會筆者再進行深入分析。