開關(guān)電容的歷史

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，便攜設(shè)備已滲透到人們生活的各個(gè)方面。以手機(jī)為例，當(dāng)今社會生活已離不開手機(jī)的使用，從日常通訊到娛樂購物，甚至核酸檢測[此處有表情]，不可否認(rèn)，手機(jī)已經(jīng)成為了最重要的工具。

伴隨著手機(jī)的高強(qiáng)度使用，隨之而來的焦慮便是如何才能保證手中的手機(jī)有足夠長的續(xù)航時(shí)間？

這個(gè)問題也一直困擾著業(yè)界。目前主要的解決方案有兩個(gè)方向：1. 提升電池容量；2. 加快充電速度。

在提升電池容量方面，基礎(chǔ)材料技術(shù)的進(jìn)步相對緩慢，尚需要更多時(shí)間實(shí)現(xiàn)電池容量的突破。在充電速度方面，得益于芯片技術(shù)的迅猛發(fā)展，充電功率在過去不到10年的時(shí)間內(nèi)增長了幾十倍。使用習(xí)慣從之前的充電一晚上，到現(xiàn)在的20分鐘后又是一條好漢。從10年前5V/0.5A充電，到現(xiàn)在的150W甚至240W的充電功率[1]，使得用戶的手機(jī)續(xù)航焦慮得到了極大的緩解。

說到手機(jī)充電功率的提升，不得不提到開關(guān)電容技術(shù)(Switched-Capacitor, Charge Pump)。

自150年前James Clark Maxwell 首次提出利用開關(guān)電容方法代替電阻的方法[2]，在那之后開關(guān)電容主要還只用在模擬濾波器和小功率供電電路上，直到2017年，首顆充電用開關(guān)電容芯片才在手機(jī)中實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)使用。在此之后，單顆開關(guān)電容芯片的功率從40W快速發(fā)展到如今的80W，同時(shí)也促進(jìn)了手機(jī)快充技術(shù)的急速發(fā)展。

開關(guān)電容的應(yīng)用

以常用的鋰電池充電為例，充電至少分為4個(gè)階段 [3]，分別為涓流充電(Trickle Charge), 預(yù)充電(Pre-Charge), 恒流充電(Constant Current Charge)和恒壓充電(Constant Voltage Charge)。開關(guān)電容電路通常在恒流充電和部分恒壓充電階段啟用，以充分利用開關(guān)電容電路的高轉(zhuǎn)換效率優(yōu)勢。

典型的手機(jī)快充的應(yīng)用如圖2所示，開關(guān)電容組成的充電通道與傳統(tǒng)的Buck Charger并聯(lián)，形成了一條獨(dú)立的電池充電通路以完成高效快速的充電。當(dāng)適配器不支持輸出電壓連續(xù)可調(diào)時(shí)，Buck Charger可以支持最高18W的充電。若適配器滿足快充的要求，單顆開關(guān)電容電路可以支持從33W(SC8546)到80W(SC8571)的快速充電。

（圖 2）

在應(yīng)用于快速充電之外，開關(guān)電容電路還可以作為電壓轉(zhuǎn)換電路以實(shí)現(xiàn)將電池電壓降壓或升壓后為母線供電。圖3是在手機(jī)供電系統(tǒng)中一種新穎的架構(gòu)。針對2s電池的手機(jī)系統(tǒng)，開關(guān)電容電路可以將2s電池的高壓降低一半為系統(tǒng)(VSYS)供電，在充電時(shí)也可以將Buck Charger提供的VBAT充電電壓泵升兩倍為電池充電。這樣的架構(gòu)既可以保持與1s電池相同的主充電路以降低成本，又可以兼容SC8571的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)2s高壓快充的效率。

（圖 3）

開關(guān)電容的工作原理

接下來將以2:1的開關(guān)電容為例介紹其基本的工作原理。如下圖所示，最簡單的2:1開關(guān)電容電路至少由5個(gè)器件組成，其分別為開關(guān)管Q1~Q4和飛電容CFLY。

（圖 4）

2:1開關(guān)電容有兩個(gè)工作模態(tài)：

其一為Q1和Q3導(dǎo)通，VIN通過Q1/CFLY/Q3組成的充電通道為VOUT提供能量；

其二為Q2和Q4導(dǎo)通，CFLY為VOUT提供能量。

（圖 5）

（圖 6）

圖6為2:1開關(guān)電容電路工作時(shí)的電流和電壓示意圖，其中紅色的曲線為飛電容CFLY的電流波形。其在每個(gè)充放電周期內(nèi)都是指數(shù)的，時(shí)間常數(shù)近似為開關(guān)管的導(dǎo)通電阻乘以飛電容CFLY。值得注意的是充電電流在開關(guān)管動作后的一段時(shí)間內(nèi)充電是最多的，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間越長，其流通的電流越小，這一點(diǎn)是與Buck電路的顯著區(qū)別。

由于開關(guān)電容電路沒有電感，因此其不具備調(diào)整輸出電壓連續(xù)可調(diào)的能力，只能等比例的，如2:1/3:1/4:1等，實(shí)現(xiàn)降壓或升壓。因此，開關(guān)電路可以等效為帶輸出阻抗的直流變壓器，如圖7所示。

（圖 7）

輸出阻抗為什么在圖7中會用一顆電阻來表示？

因?yàn)殚_關(guān)電容其本身是可以等效為一顆電阻的，接下來將用一個(gè)更為簡單的電路來進(jìn)行說明。

（圖 8）

如圖8所示的開關(guān)電路，其有兩個(gè)開關(guān)S1和S2，還有一顆用于能量傳遞的電容CFLY。假設(shè)S1和S2以頻率f交替導(dǎo)通，并且在CFLY兩端的電壓在S1和S2斷開前都已達(dá)到穩(wěn)態(tài)，即在S1斷開前CFLY兩端的電壓為VIN，在S2斷開前CFLY兩端的電壓為VOUT。

那么，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，CFLY傳遞的電荷為：

由于S1和S2都是頻率f交替導(dǎo)通，根據(jù)電流的定義，其等效傳遞的電流為：

此開關(guān)電容電路的等效電阻為：

（圖 9）

再回過頭重新看圖5中的開關(guān)電容的兩個(gè)工作狀態(tài)，假設(shè)輸入VIN和輸出VOUT電壓在開關(guān)周期內(nèi)紋波很小或者保持不變，那么同樣可以利用式(1)-(3)來推導(dǎo)2:1開關(guān)電容電路的輸出阻抗。

需要說明的是，實(shí)際開關(guān)電容電路中，由于輸入輸出電壓和CFLY兩端的壓差在開關(guān)周期內(nèi)是有紋波變化的，且在工作狀態(tài)切換前CFLY兩端的電壓不一定可以進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，因此2:1開關(guān)電路輸出阻抗會復(fù)雜一些。（由于篇幅限制，將不在此詳細(xì)說明）

開關(guān)電容的優(yōu)勢

以上介紹了開關(guān)電容的工作原理，而高功率充電之所以選擇開關(guān)電容的拓?fù)渲饕且驗(yàn)橄啾扰cBuck Charger有明顯的效率優(yōu)勢。其主要原因?yàn)椋?/p>

沒有電感儲能，因此沒有電感引起的損耗

沒有電感續(xù)流，因此開關(guān)管沒有關(guān)斷損耗，二極管反向恢復(fù)損耗和死區(qū)損耗

由于開關(guān)管串聯(lián)工作，降低了寄生電容的壓降，進(jìn)一步降低了開通過程中產(chǎn)生的損耗

圖10為南芯SC8571的效率曲線，其峰值效率超過98.5%，相比于其他的充電拓?fù)?，開關(guān)電容展現(xiàn)了極大的效率優(yōu)勢。

（圖 10）

結(jié) 語

在如今這個(gè)對快充技術(shù)需求非常強(qiáng)烈的時(shí)代，開關(guān)電容電路通過其優(yōu)異的轉(zhuǎn)換效率在手機(jī)中獲得了大范圍的應(yīng)用，并已實(shí)現(xiàn)單顆充電80W的高功率。

本文通過對開關(guān)電容基本工作原理的簡介，說明了其工作特點(diǎn)和等效電路模型，并闡明了開關(guān)電容電路高轉(zhuǎn)換效率的原因。

【注釋】

[1] 公眾號文章：南芯助力-真我GT Neo3王者歸來，150W光速秒沖，全球首發(fā)

[2] G. C. Temes, U. -K. Moon and D. Allstot, "Switched-Capacitor Circuits [Education]," in IEEE Circuits and Systems Magazine, vol. 21, no. 4, pp. 40-42, Fourthquarter 2021, doi: 10.1109/MCAS. 2021.3118195.

[3]公眾號文章：南芯半導(dǎo)體SC89890H介紹

文章來源：南芯半導(dǎo)體

審核編輯 黃宇