产品介绍丨高频，高效，高功率密度2:1 Charge Pump芯⽚CPS2021S

来源:充电头网发布时间:2023-08-282179浏览

CPS2021S是针对手机快充市场量身定做的充电芯片。该产品基于双项开关电容架构，可以实现对单节锂电池高达8A的快速充电电流。更重要的是，针对手机应用，特别是折叠型手机制版面积非常有限的这种特殊性，CPS2021S也做出了相应的优化。本期，小编将为大家详细介绍产品的：8点关键性能，4大功能亮点。

关键特性

■输入电压:3.3V-12V

■4V/4A充电效率97.5%; 4V/5A 充电效率97%

■可编程开关频率200kHz~1.5MHz可调

■输入过压保护(VBUSOVP)，输入过流保护(IBUSOCP)，输入欠电流保护(IBUSUCP) ，输出过流保护(VBATOCP) ，输出过压保护(VBATOVP)，飞跨电容器短路保护，过温保护等

■具有I2C接口，支持1MHz频率，兼容1.2V/1.8V I/O 电平

■具有电池充电电压调节回路VBAT regulation和电池充电电流调节回路IBAT regulation

■精确的6通道12位ADC

■DP/DM可用于各种快速充电协议（PHY）以及UFCS协议(PHY)

功能亮点

亮点1:高功率密度

CPS2021S是基于双项串并联2：1开关电容架构的充电芯片，和传统的基于电感的降压buck充电芯片架构不同,电容是开关电容电路的储能元件。减少电容的个数，是提高功率密度最直接最有效的方式。但是随着电容容值的降低，为了维持开关电容纹波和充电效率在可以接受的范围，开关频率需要大幅提升。

在2:1开关电容的架构中，每一项有四个开关管，其中3个管子的source没有接地，属于高边开关管。如何有效的驱动高边的开关管，成为了提升CPS2021S开关频率的关键技术点。如下图所示，市面上大部分厂商都采用了两项共用一个charge pump去驱动高边开关管的方式。这样做的弊端是，为了分别驱动两项的高边开关管，需要驱动电路开关在两倍的主电路开关频率，给两项共用的charge pump充电。由于驱动电路本身开关速度，驱动电容充放电速度，寄生参数等原因，基于这种解决方案的主电路开关频率被限制到了750kHz,不能有效减小开关电容的个数。

CPS2021S利用两个bootstrap技术来驱动两项高边开关管，这样可以实现驱动电路和主电路同频开关，可以进一步提高功率管的开关频率到1.5MHz量级，在大幅减小开关电容数量的同时，维持转换效率基本不变。

下图对比了基于CPS2021S 不同参考设计，每项三颗共六颗开关电容（上图）和每项一颗共两颗开关电容（下图）的制版尺寸。在制版面积受限的手机应用中，每项减少两个，一共减少四个开关电容，可以有效减少制版面积，降低布板难度，减少制版器件成本。

PCB layout w/ 3pcs CFLY per phase

PCB layout w/ 1pcs CFLY per phase

亮点2:高效率

CPS2021S针对高频应用，少开关电容的应用场景，对功率管的面积分配进行了优化，从而可以在高频场景下，依然高效率，低功耗的实现8A的快速充电。下图对比了每项三颗共六颗开关电容和每项一颗共两颗开关电容的效率。每项三颗和每项一颗开关电容的场景分别在500kHz和1.25MHz达到最优效率点。通过不同开关频率的优化，在8A充电电流的情况下，每项一颗开关电容的效率仅比每项三颗开关电容低0.3%。这样可以保证在高功率密度的情况下，同时实现高效率充电。为实现更轻薄的手机提供了可行性。

不同效率下的电流-效率曲线

亮点3:高精度ADC

CPS2021S内置高精度ADC，包括对输入电压电流，输出电压电流，电池电压以及芯片温度的检测，帮助用户实现充电过程的优化和闭环控制。

由于开关电容架构是一个开环的充电方案，恒压充电需要靠适配器的调压来实现，适配器的电压需要通过芯片采样电池电压来决定。更高精度ADC可以优化真个快充流程，让电池充到更高的电压而不会有安全隐患，电池健康地充得更满。CPS2021S的电压检测精度可以实现全温度范围±0.5%，超过大部分厂商±1%的指标。从而进一步提高充电速度，提升用户体验。