南芯讲堂丨开关电容转换原理简介
南芯讲堂丨开关电容转换原理简介
目 录
1. 开关电容的历史
2. 开关电容的应用
3. 开关电容的工作原理
4. 开关电容的优势
5. 总结
1.开关电容的历史
随着电子技术的快速发展，便携设备已渗透到人们生活的各个方面。以手机为例，当今社会生活已离不开手机的使用，从日常通讯到娱乐购物，甚至核酸检测，不可否认，手机已经成为了最重要的工具。
伴随着手机的高强度使用，随之而来的焦虑便是如何才能保证手中的手机有足够长的续航时间？
这个问题也一直困扰着业界。目前主要的解决方案有两个方向：1. 提升电池容量；2. 加快充电速度。
在提升电池容量方面，基础材料技术的进步相对缓慢，尚需要更多时间实现电池容量的突破。在充电速度方面，得益于芯片技术的迅猛发展，充电功率在过去不到10年的时间内增长了几十倍。使用习惯从之前的充电一晚上，到现在的20分钟后又是一条好汉。从10年前5V/0.5A充电，到现在的150W甚至240W的充电功率[1]，使得用户的手机续航焦虑得到了极大的缓解。
（图 1）
说到手机充电功率的提升，不得不提到开关电容技术（Switched-Capacitor, Charge Pump）。
自150年前James Clark Maxwell首次提出利用开关电容方法代替电阻的方法[2]，在那之后开关电容主要还只用在模拟滤波器和小功率供电电路上，直到2017年，首颗充电用开关电容芯片才在手机中实现量产使用。在此之后，单颗开关电容芯片的功率从40W快速发展到如今的80W，同时也促进了手机快充技术的急速发展。
2. 开关电容的应用
以常用的锂电池充电为例，充电至少分为4个阶段[3]，分别为涓流充电（Trickle Charge）, 预充电（Pre-Charge）, 恒流充电（Constant Current Charge）和恒压充电（Constant Voltage Charge）。开关电容电路通常在恒流充电和部分恒压充电阶段启用，以充分利用开关电容电路的高转换效率优势。开关电容电路通常在恒流充电和部分恒压充电阶段启用，以充分利用开关电容电路的高转换效率优势。
典型的手机快充的应用如图2所示，开关电容组成的充电通道与传统的Buck Charger并联，形成了一条独立的电池充电通路以完成高效快速的充电。当适配器不支持输出电压连续可调时，Buck Charger可以支持最高18W的充电。若适配器满足快充的要求，单颗开关电容电路可以支持从33W（SC8546）到80W（SC8571）的快速充电。
（图 2）
在应用于快速充电之外，开关电容电路还可以作为电压转换电路以实现将电池电压降压或升压后为母线供电。图3是在手机供电系统中一种新颖的架构。针对2s电池的手机系统，开关电容电路可以将2s电池的高压降低一半为系统（VSYS）供电，在充电时也可以将Buck Charger提供的VBAT充电电压泵升两倍为电池充电。这样的架构既可以保持与1s电池相同的主充电路以降低成本，又可以兼容SC8571的应用实现2s高压快充的效率。
（图 3）
3. 开关电容的工作原理
接下来将以2:1的开关电容为例介绍其基本的工作原理。如下图所示，最简单的2:1开关电容电路至少由5个器件组成，其分别为开关管Q1~Q4和飞电容CFLY。
（图 4）
2:1开关电容有两个工作模态：
• 其一为Q1和Q3导通，VIN通过Q1/CFLY/Q3组成的充电通道为VOUT提供能量；
• 其二为Q2和Q4导通，CFLY为VOUT提供能量。
（图 5）
（图 5）
（图 6）
图6为2:1开关电容电路工作时的电流和电压示意图，其中红色的曲线为飞电容CFLY的电流波形。其在每个充放电周期内都是指数的，时间常数近似为开关管的导通电阻乘以飞电容CFLY。值得注意的是充电电流在开关管动作后的一段时间内充电是最多的，开关管导通的时间越长，其流通的电流越小，这一点是与Buck电路的显著区别。
由于开关电容电路没有电感，因此其不具备调整输出电压连续可调的能力，只能等比例的，如2:1/3:1/4:1等，实现降压或升压。因此，开关电路可以等效为带输出阻抗的直流变压器，如图7所示。
（图 7）
你也许会好奇，输出阻抗为什么在图7中会用一颗电阻来表示？
因为开关电容其本身是可以等效为一颗电阻的，接下来将用一个更为简单的电路来进行说明。
（图 8）
如图8所示的开关电路，其有两个开关S1和S2，还有一颗用于能量传递的电容CFLY。假设S1和S2以频率f交替导通，并且在CFLY两端的电压在S1和S2断开前都已达到稳态，即在S1断开前CFLY两端的电压为VIN，在S2断开前CFLY两端的电压为VOUT。
那么，在一个开关周期内，CFLY传递的电荷为：
由于S1和S2都是频率f交替导通，根据电流的定义，其等效传递的电流为：
此开关电容电路的等效电阻为：
（图 9）
再回过头重新看图5中的开关电容的两个工作状态，假设输入VIN和输出VOUT电压在开关周期内纹波很小或者保持不变，那么同样可以利用式(1)-(3)来推导2:1开关电容电路的输出阻抗。
需要说明的是，实际开关电容电路中，由于输入输出电压和CFLY两端的压差在开关周期内是有纹波变化的，且在工作状态切换前CFLY两端的电压不一定可以进入稳态，因此2:1开关电路输出阻抗会复杂一些。（由于篇幅限制，将不在此详细说明）
4. 开关电容的优势
以上介绍了开关电容的工作原理，而高功率充电之所以选择开关电容的拓扑主要是因为相比与Buck Charger有明显的效率优势。其主要原因为：
• 没有电感储能，因此没有电感引起的损耗
• 没有电感续流，因此开关管没有关断损耗，二极管反向恢复损耗和死区损耗
• 由于开关管串联工作，降低了寄生电容的压降，进一步降低了开通过程中产生的损耗
图10为南芯SC8571的效率曲线，其峰值效率超过98.5%，相比于其他的充电拓扑，开关电容展现了极大的效率优势。
（图 10）
5. 总结
在如今这个对快充技术需求非常强烈的时代，开关电容电路通过其优异的转换效率在手机中获得了大范围的应用，并已实现单颗充电80W的高功率。
本文通过对开关电容基本工作原理的简介，说明了其工作特点和等效电路模型，并阐明了开关电容电路高转换效率的原因。
【注释】
[1] 公众号文章：南芯助力-真我GT Neo3王者归来，150W光速秒冲，全球首发。
[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] 南芯半导体SC89890H介绍。
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产品型号
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品类
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Battery Cell
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Charge Current (max)
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VIN (min)
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VIN (max)
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MOS
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OTG voltage (max)
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OTG current (max)
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Package
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SC8801
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开关充电器
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1~6s
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10A+
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2.7V
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36V
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ext.
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36V
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5A+
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QFN 4x4
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