開關電容轉換原理簡介

開關電容的歷史

隨著電子技術的快速發(fā)展，便攜設備已滲透到人們生活的各個方面。以手機為例，當今社會生活已離不開手機的使用，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，手機已經成為了最重要的工具。

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

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

在提升電池容量方面，基礎材料技術的進步相對緩慢，尚需要更多時間實現(xiàn)電池容量的突破。在充電速度方面，得益于芯片技術的迅猛發(fā)展，充電功率在過去不到10年的時間內增長了幾十倍。使用習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]，使得用戶的手機續(xù)航焦慮得到了極大的緩解。

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

自150年前James Clark Maxwell 首次提出利用開關電容方法代替電阻的方法[2]，在那之后開關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，首顆充電用開關電容芯片才在手機中實現(xiàn)量產使用。在此之后，單顆開關電容芯片的功率從40W快速發(fā)展到如今的80W，同時也促進了手機快充技術的急速發(fā)展。

開關電容的應用

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

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

（圖 2）

在應用于快速充電之外，開關電容電路還可以作為電壓轉換電路以實現(xiàn)將電池電壓降壓或升壓后為母線供電。圖3是在手機供電系統(tǒng)中一種新穎的架構。針對2s電池的手機系統(tǒng)，開關電容電路可以將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的應用實現(xiàn)2s高壓快充的效率。

（圖 3）

開關電容的工作原理

接下來將以2:1的開關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開關電容電路至少由5個器件組成，其分別為開關管Q1~Q4和飛電容CFLY。

（圖 4）

2:1開關電容有兩個工作模態(tài)：

其一為Q1和Q3導通，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導通，CFLY為VOUT提供能量。

（圖 5）

（圖 6）

圖6為2:1開關電容電路工作時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。其在每個充放電周期內都是指數(shù)的，時間常數(shù)近似為開關管的導通電阻乘以飛電容CFLY。值得注意的是充電電流在開關管動作后的一段時間內充電是最多的，開關管導通的時間越長，其流通的電流越小，這一點是與Buck電路的顯著區(qū)別。

由于開關電容電路沒有電感，因此其不具備調整輸出電壓連續(xù)可調的能力，只能等比例的，如2:1/3:1/4:1等，實現(xiàn)降壓或升壓。因此，開關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？

因為開關電容其本身是可以等效為一顆電阻的，接下來將用一個更為簡單的電路來進行說明。

（圖 8）

如圖8所示的開關電路，其有兩個開關S1和S2，還有一顆用于能量傳遞的電容CFLY。假設S1和S2以頻率f交替導通，并且在CFLY兩端的電壓在S1和S2斷開前都已達到穩(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，在一個開關周期內，CFLY傳遞的電荷為：

由于S1和S2都是頻率f交替導通，根據電流的定義，其等效傳遞的電流為：

此開關電容電路的等效電阻為：

（圖 9）

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

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

開關電容的優(yōu)勢

以上介紹了開關電容的工作原理，而高功率充電之所以選擇開關電容的拓撲主要是因為相比與Buck Charger有明顯的效率優(yōu)勢。其主要原因為：

沒有電感儲能，因此沒有電感引起的損耗

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

由于開關管串聯(lián)工作，降低了寄生電容的壓降，進一步降低了開通過程中產生的損耗

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撲，開關電容展現(xiàn)了極大的效率優(yōu)勢。

（圖 10）

結 語

在如今這個對快充技術需求非常強烈的時代，開關電容電路通過其優(yōu)異的轉換效率在手機中獲得了大范圍的應用，并已實現(xiàn)單顆充電80W的高功率。

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

【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：南芯半導體SC89890H介紹

文章來源：南芯半導體

審核編輯 黃宇