南芯讲堂丨车载充电发展简史

互推小编 2023-07-19

序言

车,已成为大众生活的重要的组成部分,汽车产业也是我国工业类的支柱产业之一。随着科技的不断进步,节能减排、低碳环保的要求不断提高,电动汽车已经作为我们国家发力重点方向,也是我们中国汽车工业实现弯道超车、跨越式发展的难得契机。

半导体,是重要的工业基础材料,基于行业上下游产业链的布局、国家政策的扶持、人才的快速回流,近年来国产半导体处于飞速发展的阶段,我们南芯半导体,也乘着行业的东风,飞速发展,不断突破,取得了傲人的成绩。

汽车与半导体结合的汽车电子,也在迅速的演进,不断给人们带来更好的便利体验,如:自动(辅助)驾驶所用到的雷达、摄像头、辅助驾驶芯片;智能座舱的多功能大屏幕、导航、通信等,以及本文谈到的车载充电。

车载充电有两个方向:有线充电、无线充电。

有线充电:

点烟器很早就是汽车上的标配,甚至一直延续到今天,它是为了满足“烟鬼们”在开车时不便明火点烟而应运而生。但在近几年,随着智能手机的普及和车内充电需求的增加,点烟器 USB 充电头成为了消费类电子的爆款产品,这也是我们看到的第一代车载“有线充电”产品。

车载充电器的输入是汽车点烟器的接口,直接连接汽车的 12v 铅酸电池,其 USB 口输出早期只支持 5v,所以只需一个降压型 DC/DC;但随着快充的普及,车充的 USB 口输出要能够支持5v-20v 的超宽范围,于是升降压型的 DC/DC以及快充协议芯片强势发展,该方案和充电宝所需的宽范围输出方案一致,南芯半导体也正是凭借车充和充电宝类产品所需要的高技术门槛的升降压 DC/DC 产品,一举奠定在电源管理芯片领域的江湖地位。随着公司飞速发展进步,南芯的电源和电池管理类芯片已成为消费类最顶端的手机/笔记本类产品的头部玩家,并在下述的汽车级产品中取得重大突破。

上述的车载点烟器充电器,其实属于消费级别配件类产品,但随着车载充电的强烈需求,诸多整车厂直接将 USB 口集成在了汽车中控台上,这也是我们所谓的第二代车载有线充电方案。

从技术方案上来讲,此类产品和第一代车充架构基本一样,一般以5v输出为主,或支持一些苹果或三星基本快充功能,15w功率以内。但整个方案做到汽车车机里面,就已经是真正意义上的前装产品了,需要符合严苛的车规标准和认证,这和传统配件类产品有了本质差异。南芯半导体推出的SC8101Q,经过了ACE-Q100认证,已经打入众多汽车客户。

SC8101Q 是一颗车规级32V/5A同步降压变换器, 支持40V的最高绝对耐压。集成45mΩ/35mΩ 上下开关管和90uA的静态电流使得其在整个负载范围内都可以获得理想的转换效率。Flip-Chip QFN的封装,可以消除内部Bonding Wire在开关节点上带来的震荡,从而获得较好的EMI性能。

车载第三代有线充电方案,则是随着手机 USB-C 口大功率快充的普及,以及多种快充协议的蓬勃发展应运而生。

第三代车载有线充电,我们定义为能够支持通信协议的大功率快充的方案。

USB-C 作为通用的电子接口,在手机等电子设备上已被普遍采用,其良好的兼容性、优秀的通信功以及最大能够支持到百瓦级别的功率等特点,注定会统一汽车的对外接口。当然,由于汽车电子要求的长期性和高兼容新,USB-A接口也会存在较长一段时间。

对手机实现快充,需要两个基本要素:

升降压 DC/DC 芯片:功能描述参照第一代充电方案介绍,但做到车内,必然要经过严苛的ACE-Q100认证。

通信协议芯片:是快充的灵魂。目前国内外各厂家基本都有自己的私有快充协议或公有协议,如我们常见的 QC,AFC,VOOC,SCP,Flash charge,基于 CC 的私有协议等,以及在世界范围通用的 PD 和中国通用融合协议 UFCS 等。

南芯半导体推出的车规升降压芯片SC8701Q,协议芯片 SC2021Q,支持手机的全电压范围和多种通信协议,可以支持市面上绝大部分的手机快充,是一套汽车大功率有线快充的完整方案。

SC8701Q 是一颗同步4功率管buck-boost控制器,输出电压能够高于/等于或低于输入电压,超高的转换效率能有效提升系统的热性能。支持超宽的输入及输出电压,采用了10V/2A MOSFET驱动器,最大限度地使用外部MOSFET以获得高效率。支持输入电流限流,输出电流限流,过温保护以确保芯片能正常工作在各种异常情况。输出电压及输入输出电流限流可通过PWM信号动态调整,开关频率为200KHz至600KHz可调,客户可灵活的依据系统需求进行相应设计。

除了无线充电应用外,SC8701Q还可以应用在60W有线快充和ADAS的360°环视系统的ECU中给Camera供电。该同步升降压控制器已通过AEC-Q100 Grade1 认证。

SC2021Q 是一款高度集成的Type-C/PD和DPDM快充控制器。符合最新的Type-C和PD 3.0标准,通过了USB PD3.1符合性测试,芯片支持专有的高压快充协议,包含一组USB-C接口和两组DPDM接口,满足1A+1C双口快充应用。DPDM除了基础的BC1.2之外,还支持市面上绝大部分的手机私有协议。

南芯SC2021Q内部集成32位高性能MCU内核,2.5Kb内存和32Kb的MTP存储器,支持私有快充协议。SC2021Q 通过集成 USB PD 基带 PHY、Type-C 检测、双 DPDM PHY、内置VBUS 放电路径、VCONN 电源、可编程反馈补偿、电压和电流检测、10-bit ADC、双10-bit DACs,、NMOS 栅极驱动器、I2C 接口和保护电路,来最大限度地减少外部组件。

SC2021Q具备良好的协议兼容性和丰富的控制接口,可用于车充以及快充应用。

无线充电:

无线充电是车载充电的绝佳方案。上车之后,将手机、车钥匙等放在无线充电发射板上即可充电,无需繁琐的接插动作,中控台上不会出现一根讨厌的线缆。当然,无线充电发射板还是需要从汽车的点烟器或者USB口取电,不过这条线可以被固定或隐藏,有些厂家也推出了更好的解决方案。

第一代车载无线充电方案是从配件类开始,标准的 Qi 协议,从最基础的 5w 功率逐步过渡到 15w。

南芯在此很早就有布局,目前此类产品在国内出货量占比很高,如第一代有线充电方案一样,目前南芯已重点发力手机和汽车。

第二代车载无线充电方案,是以无线充电功能模块形式整合到汽车上,和车载有线充电路线一样,所有规格全部都需要升级为汽车标准。

南芯 SC8101Q/SC8701Q+SC5003Q,提供完整的 15w 无线充电解决方案,支持标准 Qi 协议,通过汽车 ACEQ100 认证,被多家 Tier1 所采用,并已出现在比亚迪、上汽通用、一汽红旗、现代等多品牌车型上,多款海外车型也正在设计当中。

除了无线充电应用外,SC8701Q还可以应用在60W有线快充和ADAS的360°环视系统的ECU中给Camera供电。该同步升降压控制器已通过AEC-Q100 Grade1 认证。

SC5003Q 是南芯推出的车规级高度集成的无线功率发射机模拟前端,包含实现WPC兼容发射机所需的所有模拟组件。同时SC5003Q集成了高精度的Q值检测功能,可以轻松实现异物检测功能,与发射机控制器一起创建高性能无线功率发射机,并符合WPC V1.2.4 EPP和BPP规范。该无线功率发射机模拟前端已通过AEC-Q100 Grade1 认证。

第三代车载无线充电,是在 15w 的 Qi 标准基础上,授权了手机厂家的私有协议。由于 Qi 标准目前最大仅支持到 15w,而国产手机在充电功率上已支持到了政策限制的顶格 50w。

所以,要实现对手机的 50w 无线充电,必然要走自己的私有协议。但目前各家私有协议并不兼容,且手机厂处于强势垄断地位。这造成了一些方案较为复杂且成本高昂,在主流车型当中目前仍以第二代 15w 方案为主。后续看行业的发展和推进情况,如果可以像有线充电一样,统一协议标准或取消授权壁垒,则会再一次加速大功率无线快充方案的普及。

小结

以上是车载有线、无线充电的简要发展历程。随着科技的不断进步,尤其是往电动化、智能化发展,必将给人们带来更加便捷、安全的充电体验。

汽车与半导体都是科技密集型行业,设计难度大,科技含量高,车规产品需要满足极高的可靠性和极低的失效率要求,这不仅考验芯片企业的设计和研发能力,还考验品质和供应管理能力。一家芯片公司是否有车规级产品,是区分企业能力的分水岭。车规级产品从设计到最终量产,中间会经过无数次测试、认证和迭代过程。它的量产也考验了企业的整体实力,比如“是否可以得到车厂或 Tier1 的认可”、“能否通过无数严苛的测试”、“可否满足质量体系认证”等等。

南芯半导体,具有强大的研发技术实力,严苛的品质管理标准,完整的系统解决方案以及良好的供应保障能力,注定会成为汽车电源行业的重要玩家。

南芯半导体,是一家专注于电源和电池管理的高性能国产半导体设计公司,拥有Charge pump、DCDC、ACDC、有线充电、无线充电、快充协议、锂电保护等多条产品线,基于自主研发的升降压充电、电荷泵和GaN直驱等核心技术,推出了多款明星产品,得到业内广泛认可。

南芯能够提供从AC到电池的端到端快充完整解决方案,产品覆盖10W到200W整个范围。其中电荷泵大功率快充系列产品率先打破国外垄断,通过了国内多个知名品牌手机厂家的严苛认证,并已实现大规模稳定量产;DC/DC类产品在工业类市场取得了丰硕的成绩;无线/有线充电类产品也已经通过车规认证,打入国产汽车前装市场。

南芯拥有强大的研发及系统团队、独立的品质管控团队、以及贴近客户的销售和支持团队,为高质量的产品开发设计保驾护航。南芯也得到了上下游产业链与资本的广泛认可与支持:OPPO、vivo、小米、中芯聚源、上海集成电路产业基金、红杉资本等先后入股成为股东,助力公司持续、快速成长以及可靠的供货保证。

南芯产品已在荣耀、OPPO、vivo、小米、联想、三星、大疆、Anker、紫米等国内外知名品牌的产品中频频亮相,并助力多款产品入驻Apple Store,证明了南芯产品在性能、品质和成本等方面的诸多优势。南芯秉承不断提高,不停创新的企业文化,致力于为客户提供高性能、高品质与高经济效益的系统解决方案。

南芯,为效率而生。

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