開關電容的歷史

隨著電子技術的快速發展，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航時間？

這個問題也一直困擾著業界。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，到現在的20分鐘后又是一條好漢。從10年前5V/0.5A充電，到現在的150W甚至240W的充電功率[1]，使得用戶的手機續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量產使用。在此之后，單顆開關電容芯片的功率從40W快速發展到如今的80W，同時也促進了手機快充技術的急速發展。

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的Buck Charger并聯，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是在手機供電系統中一種新穎的架構。針對2s電池的手機系統，開關電容電路可以將2s電池的高壓降低一半為系統(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：

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的，時間常數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可調的能力，只能等比例的，如2:1/3:1/4:1等，實現降壓或升壓。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斷開前都已達到穩態，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，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，且在工作狀態切換前CFLY兩端的電壓不一定可以進入穩態，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

沒有電感續流，因此開關管沒有關斷損耗，二極管反向恢復損耗和死區損耗

由于開關管串聯工作，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，開關電容展現了極大的效率優勢。

（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異的轉換效率在手機中獲得了大范圍的應用，并已實現單顆充電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

[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