伏達半導體推出首款100W電荷泵快充芯片,充電功率穩居第一

伏達半導體(NuVolta Technologies,以下簡稱伏達)推出第二代電荷泵快充產品——NU2205,該產品也是目前業界功率最高的100W電荷泵快充芯片。NU2205是國產唯一采用了雙電芯4:2電荷泵快充架構的芯片。創新的雙電芯快充結構打破了單電芯充電的瓶頸,將充電功率從60W大幅提高到了120W,并有機會進一步提升到200W。在沖擊高端快充的路徑上,伏達率先給出了答案,把國產芯片追趕國際領先廠商的步伐從最初的兩年縮短到了半年。

 

 

1. 第二代電荷泵快充芯片

進入5G時代,智能手機耗電大幅增加,對快充的需求變得更加強烈。眾所周知,全球第一代快充芯片由TI在2017年推出,國內芯片企業在兩年后推出快充方案;第二代快充芯片發布于2020年11月,這一次,伏達僅用了半年就趕上了國際廠商,于2021年4月推出了100W快充芯片及方案。

NU2205也是目前國內單芯片充電功率最高的電荷泵芯片,打破了國外芯片廠商在雙電芯有線快充行業的壟斷,伏達成為國內唯一能提供100W成熟快充方案的半導體公司,攻占快充功率制高點。

                   圖1. NU2205評估版

隨著NU2205的推出,伏達將為手機客戶提供高達200W的快充方案。


  1. 2. 電荷泵快充芯片NU2205的性能優勢


NU2205利用創新的雙電芯架構,在大于60W功率等級上,帶來了全方位的優勢。我們將從效率、溫升及電流比對進行實驗論證。

2.1 高效率

高效率是快充應用里最關鍵的指標,NU2205不僅通過內部創新的結構提高了工作效率,同時也可以通過可調節的工作頻率來調整效率。在4:2的工作模式下,最高效率可以達到98%,在10V適配器輸入下,2:2模式2節電池充電效率最高可達99.2%。

             圖2. 伏達NU2205充電效率曲線

  • 2.2 多模式

  • NU2205除了4:2的雙電芯電荷泵模式之外,還支持2:2的雙電芯直充模式。在2:2直充模式,充電的效率高達99.2%。在高功率充電發熱持續增加的應用環境里,提供了脈沖切換4:2和2:2兩種模式降低系統的發熱的可能。由于設計的創新性,NU2205還能同時支持2:1和1:1的單電芯快充模式。


  • 2.3 溫升測試圖

  • 25°C環溫條件下,16V輸入時,2節電池在10A和20A大電流下充電,溫升分別對應44.9°C/46.8°C。

                  圖3. 充電電流下溫升測試

2.4 一顆NU2205實現10A充電

如下圖所示,用電子負載模擬電池快充過程,單顆NU2205芯片的EVM板,穩定輸出10A電流。

  • 2.5 兩顆NU2205并聯實現20A充電

如下圖所示,用電子負載模擬電池快充過程,兩顆NU2205芯片的EVM板,穩定輸出20A電流。


3. 雙電芯架構的優勢

NU2205采用伏達的雙電芯4:2電荷泵快充架構,其單芯片最高功率支持100W。那么為什么要采用雙電芯的架構呢?它有什么優勢呢?


3.1 雙電芯架構的突破性

從2014年OPPO推出第一代電壓大電流快充(VOOC)開始,到2017年單節電池電荷泵方案的商用,快充在單節電池分別突破了40W, 50W和60W。充入單節電池的電流也從開始的5A,增大到12A。這意味電芯內部的阻抗即使只有5mΩ,電芯的功率損耗也超過了0.7W。超大的電流和超高的發熱對電池保護板的設計和電芯內部阻抗帶來了巨大的挑戰。

 以電池保護MOSFET為例,為了滿足快充大電流的應用,MOSFET的阻抗已經從5mΩ降低到了1.1mΩ。這意味著電池保護MOSFET性能已接近了器件極限,使得單節電池功率的提升要付出更高的代價。

雙電芯快充方案在充電輸出端把電池電壓提高一倍,在同樣的充電功率下進入電芯的電流減小一半,電芯的發熱減小到25%。同樣在60W的充電功率檔,進入電芯的電流降到6A,保持電池包5mΩ內阻的情況下,電芯的功率損耗顯著降低到180mW;在保持同樣電芯電流的情況下,雙電芯快充可以突破單電芯功率限制達到120W,甚至是200W。

第二代電荷泵快充芯片——NU2205采用4:2電荷泵架構,這種架構和集成FET進行了優化,可實現50%的占空比。使電纜電流成為傳輸到電池電流的一半,從而減少了充電電纜的損耗并限制了應用中的溫升。 雙相架構降低了輸入電容要求,同時降低了輸出電壓紋波。

 

                   圖4. 雙電池架構優勢圖

如上圖所示,將輸入端20V電壓降低50%傳到電池端,但是電池端獲得了2倍輸入端電流12A的充電電流,輸入端電流被限定在6A內的同時,既實現了高功率傳輸,又無需升級充電線纜,凸顯了雙電芯架構的優勢。

更重要的是,NU2205可支持多芯片并聯工作,如果將兩顆NU2205并聯,可實現充電功率120W的突破,一舉斬獲業界充電功率最高的殊榮。

如果將三顆NU2205并聯,那么充電功率將突破200W,而這種技術是單電芯方案無可比擬的。


  1. 4. 全面的保護機制,多達34重

在高功率充電應用中,效率和發熱是大家最關注的指標。然而,在充電系統中,除了效率,最重要的是充電安全。NU2205集成多達34重全面保護,全方位保護輸入與輸出電壓電流、電池電壓電流及溫度等,有效保護系統,防止異常情況對電池和系統造成損壞。我們比你更在乎充電安全。


  1. 5. 完整的無線充電與有線快充方案

在與國際廠商的競爭中,伏達半導體沖在前線,率先打破國外芯片廠商在有線快充行業的壟斷,攻占了快充功率制高點,扭轉了核心技術被鉗制的局面。伏達的競爭優勢還體現在已有的領先的無線快充技術。新推出的100W快充方案與伏達業界功率最高的無線快充方案相得益彰,形成完整無線加有線的快充方案。毫無疑問,伏達半導體成為唯一一家能同時提供無線充電與有線快充方案的半導體公司。


總結

 

伏達推出第二代電荷泵快充芯片,旨在幫助智能手機客戶解決快充過程中的功耗過高、升溫過快等問題,并將充電效率做到業界最優。憑借過硬的產品品質,伏達已經與多個品牌客戶合作了快充項目。隨著充電功率的提高與效率的不斷提升,伏達的快充系列產品將幫助客戶,極大改善用戶的充電體驗。



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