南芯的效率之道：聚焦电池高效充电管理，进击工业与汽车领域

文︱郭紫文

图 | 南芯

产业数字化、智能化催生了一场万物互联的浪潮,物联网连接数量呈现指数级增长态势,智能终端设备需求急剧上升。在这种市场趋势下,锂电池和充电器成为智能终端的标准配置,市场规模快速增长。在消费电子、智能手机等领域,用户对于电池的充电速度、续航能力等有了更高的要求,高效智能充电逐渐成为刚需。

南芯半导体持续围绕高效率应用,专注锂电池充电管理、电荷泵(charge pump)、DC-DC、AC-DC、无线充电、快充协议、锂电保护等领域,拥有完整的高效充电和电源管理系统解决方案。10月28-30日,2021年慕尼黑华南电子展将于深圳国际会展中心(宝安新馆)举行,重磅推出了“充电技术”、“无人驾驶”等多个产业热门关键词,展会同期将举办“国际电动车驱动与充电技术创新论坛”等活动。在慕尼黑华南电子展即将召开之际,探索科技(techsugar)邀请到南芯半导体市场总监刘崇,共同探讨充电和电源管理芯片的技术发展趋势与国产化替代浪潮。

主打电荷泵充电方案,为效率而生

快充市场对于功率的要求不断提升,高功率密度、高效率的快充方案需求持续旺盛。以智能手机快充为例,传统buck架构在效率上陷入瓶颈,无法进一步提高,因此,电荷泵充电方案应用而生。刘崇表示,电荷泵是当前手机大功率充电唯一的解决方案,也是南芯半导体最核心的产品线之一。

从原理上看,电荷泵是一种利用“飞电容”来储能的DC-DC转换器,因此也称为开关电容式电压变换器。据公开信息显示,南芯于2019年推出了高压电荷泵芯片SC8551,实现了手机大功率充电的跨越式突破。此款芯片在国内率先实现量产,市场反馈良好,能够提供高压快充和低压直充双模式充电功能,打破了国外垄断局面。

“快充设备要达到97%以上的效率,架构和设计方案的选择至关重要。这需要工程师从充电头、连接线,连接器、Charger,锂保,电芯、通信协议等完整链路进行系统级考量,例如AC-DC需满足精准的调压调流功能、手机与充电头可以实时通信,Charger要非常高效,锂保和电芯要能承受大电流等。”刘崇表示,针对33W、40W、100W、200W或更多不同功率要求,南芯为客户提供更加灵活可靠的电荷泵快充解决方案。以今年九月份推出的超高压电荷泵快充IC SC8571为例,该芯片实现了业界同类产品的最大功率,支持单芯片120W充电规格。根据对手机散热性能及用户体验的需求,两颗SC8571并联可实现120W至200W充电规格。

除了电荷泵产品,南芯半导体还拥有丰富的支持USB PD应用的产品线和相应的参考设计,包括支持升降压转换器在内的充电管理IC、DC-DC、无线充电、锂保芯片和充电协议IC等,致力于打造高性能、高品质、高经济效益的芯片产品。

图源:南芯半导体官网

聚焦电池高效充电管理,进击工业与汽车领域

万物互联的趋势下,万物充电也成为必然。智能手机的普及,让充电芯片及电源管理芯片市场需求海量增长。近年来,虽然手机市场增速放缓,但消费者对于手机充电效率、能耗需求、散热性能、充电设备小型化等诸多诉求只增不减,这使得快充和无线充电逐渐成为市场发展的重点方向。据刘崇介绍,南芯半导体的产品已经成功切入小米、OPPO、联想、荣耀等多家品牌手机厂商的供应链,为其提供高性能、高可靠性的快充方案,其产品还广泛应用于充电外设产品、智能手机、平板电脑、笔记本、电视、无人机、智能家居等各类电子产品中。

刘崇表示,为了提高芯片效率,南芯选择更先进的工艺、封装技术以及新材料来突破设计工艺带来的瓶颈。在实现快充电源小型化方面,南芯研发了氮化镓(GaN)驱动芯片,整个方案极大缩小了PCB面积,具有更佳的散热性能和功率密度。作为第三代半导体材料,氮化镓功率器件比硅基器件具有低导通电阻、低开关损耗、高电子迁移率、宽禁带等优势,是缩小方案尺寸、提高能效的绝佳选择。南芯氮化镓驱动配合第三方氮化镓功率器件,在实现充电头小体积高效率方面是行之有效的解决方案。

近年来,新能源汽车电子电气架构不断升级,汽车电子化水平逐步提高,对于模拟芯片的需求远远大于传统汽车。这一需求拉动下,汽车电源管理系统成为主流趋势,电源管理和模拟控制类芯片成为汽车智能化、电气化的基础支撑。在国家政策重点推动下,电源芯片等模拟芯片的发展前景广阔。南芯半导体在汽车、工业领域也稳扎稳打,逐步深入。目前,南芯的高效DCDC已经被诸多工业领域采用;同时,南芯已经有多款产品通过AEC-Q100标准认证,在汽车无线充电等前装市场多有应用。

以超越姿态为国产模拟和嵌入式芯片赋能

由于地缘政治因素,国产化替代的呼声愈发强烈。现阶段,电池及电源管理芯片市场仍然由国外巨头占据,长期以来处于被“卡脖子”的窘迫状态。近年来,国家政策对半导体芯片更加重视,资本大量涌入,本土产业链正在朝着建立完整生态体系方向前进。

“在模拟芯片领域,国产厂商与国际巨头的差距正一点点缩小,在某些细分领域甚至已经实现了超越。“刘崇表示,得益于国内人才聚集与国家战略统筹,南芯在电池充电及电源管理芯片上具有宽泛的产品线布局,是国内首家具备端到端完整充电链路解决方案的IC设计公司。自2015年成立以来,南芯以其经验丰富的研发团队与人才储备,具有核心竞争力的先进技术和研发能力,准确把握市场先机,并持续扩大产品线,向嵌入式和信号链方向扩展,以卓越之姿助力国产芯片的发展。