最近拆了幾個(gè)新出的氮化鎵快充頭發(fā)現(xiàn)一個(gè)有意思的現(xiàn)象外殼越做越小里面的主板反而越來(lái)越“空”。以前塞著五六顆芯片的板子現(xiàn)在一顆協(xié)議芯片加一顆氮化鎵合封器件就撐起了大半邊功能。恰好圈子里這兩天在傳一條供應(yīng)鏈消息——某國(guó)產(chǎn)協(xié)議芯片原廠的新型號(hào)HUSB351被一個(gè)頭部數(shù)碼配件品牌看中準(zhǔn)備用在下一代小體積快充上。消息本身不算爆炸級(jí)新聞但放在當(dāng)下這個(gè)時(shí)間點(diǎn)它體現(xiàn)出的東西值得聊聊小體積快充的內(nèi)卷已經(jīng)從氮化鎵功率級(jí)悄悄卷到了協(xié)議芯片這一層。這文章我不想報(bào)參數(shù)念規(guī)格書(shū)而是想從“為什么一顆協(xié)議芯片值得進(jìn)供應(yīng)鏈”這件事說(shuō)起。如果你做過(guò)充電器產(chǎn)品或者正在研究怎么把下一款65W/100W快充做小那這里面的邏輯、坑和判斷方法應(yīng)該能幫你省下不少測(cè)試費(fèi)。1. 小體積快充的體積革命為什么繞不開(kāi)協(xié)議芯片1.1 充電頭在變小拖后腿的不只是變壓器大多數(shù)人以為充電頭體積大主要是變壓器、電容和氮化鎵功率管的鍋。這話只對(duì)了一半。你拆開(kāi)一個(gè)典型的65W氮化鎵充電頭就會(huì)發(fā)現(xiàn)變壓器確實(shí)占空間但真正讓PCB密密麻麻、排布散亂的往往是協(xié)議控制這一坨。傳統(tǒng)的PD快充方案里協(xié)議識(shí)別需要一顆MCU或?qū)Ｓ脜f(xié)議IC它要工作就得配套LDO穩(wěn)壓、采樣分壓電阻、上拉電阻、VBUS開(kāi)關(guān)控制、放電電路……這些分立器件零零散散加在一起占掉的板面積一點(diǎn)不比變壓器少。我實(shí)測(cè)過(guò)一款早期的65W方案光協(xié)議部分的外圍元件就有三十多顆。而新一代的集成協(xié)議芯片比如這次聊的HUSB351理論上可以把其中相當(dāng)一部分外圍元件吞進(jìn)芯片內(nèi)部。差別就是一個(gè)方案主板做完要占4平方厘米另一個(gè)可能2平方厘米就收工。這面積省下來(lái)充電頭就能在同樣功率下矮一截、窄一圈。1.2 協(xié)議芯片是“最后一厘米”的勝負(fù)手你可以把協(xié)議芯片理解成充電頭的“談判代表”。它通過(guò)USB-C接口里的CC1/CC2引腳跟手機(jī)、筆記本協(xié)商電壓和電流PD3.1、PPS、QC、UFCS這些協(xié)議全得靠它識(shí)別和響應(yīng)。談好了再控制輸出電路把電送出去談崩了充電頭就只輸出5V甚至直接躺平?？斐涑潆婎^能不能把小體積做出來(lái)變壓器和氮化鎵決定了功率密度上限但協(xié)議芯片決定了下限。因?yàn)閰f(xié)議電路是低壓模擬和數(shù)字混合的電路它跟高壓功率電路不一樣沒(méi)法靠堆疊變壓器那種方式來(lái)壓縮體積。唯一路線就是把功能集成進(jìn)芯片減少外部電阻、電容、穩(wěn)壓器的數(shù)量。這幾年我能明顯感覺(jué)到一個(gè)趨勢(shì)各家的快充方案對(duì)比已經(jīng)從“誰(shuí)支持的協(xié)議多”變成“誰(shuí)的周邊電路更干凈”。HUSB351這種高集成度協(xié)議芯片被品牌方看中大概率就是因?yàn)樗凇巴鈬鷾p法”這件事上做得夠徹底。2. HUSB351的硬件底子集成度、封裝和協(xié)議支持2.1 外圍電路做減法才是真正的集成從供應(yīng)鏈放出的工程資料來(lái)看HUSB351的定位很明確一顆面向小體積快充的高集成度協(xié)議芯片。它把傳統(tǒng)方案里必須外接的幾類(lèi)電路盡量收了進(jìn)去。第一類(lèi)是穩(wěn)壓供電。以前協(xié)議芯片需要外部LDO或者從輔助繞組拉電壓再自己做穩(wěn)壓現(xiàn)在芯片內(nèi)部自帶穩(wěn)壓?jiǎn)卧獙掚妷狠斎胫苯庸╇?。這意味著PCB上少一顆穩(wěn)壓IC和一堆濾波電容。第二類(lèi)是采樣電路。輸出電流檢測(cè)、分壓反饋這些以前要用精密電阻網(wǎng)絡(luò)搭出來(lái)電阻多了不光占地方還要考慮溫漂和精度匹配。集成方案則把這些網(wǎng)絡(luò)做到芯片內(nèi)部外圍只剩必要的電阻。這類(lèi)細(xì)節(jié)聽(tīng)起來(lái)不起眼但在量產(chǎn)時(shí)非常關(guān)鍵——手工焊錯(cuò)一顆分壓電阻導(dǎo)致輸出電壓漂移這種事我在產(chǎn)線見(jiàn)過(guò)太多次。第三類(lèi)是驅(qū)動(dòng)和保護(hù)邏輯。VBUS開(kāi)關(guān)控制、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)、放電功能如果能整合進(jìn)協(xié)議芯片的內(nèi)部控制邏輯里就不需要再單獨(dú)掛一顆保護(hù)IC和放電MOS。對(duì)充電頭這種緊湊結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)少一顆IC散熱和Layout壓力都小一截。2.2 協(xié)議兼容性不只是“列出名單”這么簡(jiǎn)單HUSB351這類(lèi)新品協(xié)議支持列表通常不會(huì)難看PD3.1、PPS、QC、UFCS這些主流的都會(huì)覆蓋。但我要提醒一句協(xié)議兼容性這件事列表只是入場(chǎng)券真正要看的是狀態(tài)機(jī)寫(xiě)得穩(wěn)不穩(wěn)。舉個(gè)例子PPS可編程電源是現(xiàn)在安卓手機(jī)快充的核心協(xié)議它要求充電頭能按照手機(jī)請(qǐng)求在很細(xì)的步進(jìn)下調(diào)整輸出電壓和電流。有些協(xié)議芯片雖然列表里寫(xiě)了支持PPS但實(shí)際調(diào)壓步進(jìn)粗糙、響應(yīng)慢手機(jī)端就會(huì)表現(xiàn)出“雖然握手成功但充電功率上不去”的尷尬情況。PD3.1則是對(duì)高功率設(shè)備的支持28V、36V乃至48V的電壓檔覆蓋了筆記本、顯示器這類(lèi)百瓦級(jí)以上設(shè)備。HUSB351如果真能做到PD3.1兼容配合大功率氮化鎵方案一個(gè)充電頭通吃手機(jī)、平板、筆記本的場(chǎng)景會(huì)比以前順滑很多。我把協(xié)議支持這件事拆成這樣看能力維度傳統(tǒng)協(xié)議芯片高集成協(xié)議芯片HUSB351這類(lèi)協(xié)議覆蓋主控MCU外掛協(xié)議庫(kù)PD3.1/PPS/QC/UFCS單芯片覆蓋外圍穩(wěn)壓需外部LDO內(nèi)置穩(wěn)壓采樣網(wǎng)絡(luò)外部精密電阻芯片內(nèi)部處理為主保護(hù)邏輯外部保護(hù)IC內(nèi)部控制占板面積大明顯更小當(dāng)然表格里的對(duì)比是這類(lèi)高集成方案的普遍情況具體到HUSB351的實(shí)際表現(xiàn)還得等終端產(chǎn)品上市后實(shí)測(cè)驗(yàn)證。2.3 它和傳統(tǒng)方案的本質(zhì)區(qū)別在BOM如果只把HUSB351看作“多支持了幾個(gè)協(xié)議”的芯片那就太小看它的意義了。它真正改變的是BOM物料清單的結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)快充方案的BOM是一長(zhǎng)串主控MCU、協(xié)議IC、LDO、采樣電阻、保護(hù)電路、放電MOS……每一個(gè)物料都有庫(kù)存、來(lái)料檢驗(yàn)、貼片損耗、一致性風(fēng)險(xiǎn)。集成方案則是把這些物料“合并同類(lèi)項(xiàng)”BOM變短生產(chǎn)一致性更好調(diào)試成本更低。對(duì)品牌方來(lái)說(shuō)BOM不只是成本問(wèn)題更是品控問(wèn)題。元器件數(shù)量越少貼片不良率越低售后返修概率也越低。頭部配件品牌愿意導(dǎo)入這類(lèi)芯片考量的不只是“能把充電頭做多小”還包括“能不能穩(wěn)定地做出幾百萬(wàn)個(gè)一樣小的充電頭”。3. 從芯片到產(chǎn)品進(jìn)供應(yīng)鏈這條路比想象中長(zhǎng)3.1 一顆芯片要過(guò)五關(guān)很多人看到“某某芯片進(jìn)入某某品牌供應(yīng)鏈”這種消息會(huì)覺(jué)得這就是采購(gòu)下單、塞進(jìn)產(chǎn)品線就完事。實(shí)際完全不是這樣。芯片從原廠送到品牌手里到最終跑進(jìn)量產(chǎn)充電頭中間要過(guò)的關(guān)多得很。第一關(guān)是工程樣品驗(yàn)證。品牌方會(huì)拿著芯片做第一版PCB打樣出來(lái)的充電頭要能開(kāi)機(jī)、能握手、能帶載。這一步通常就會(huì)篩掉一半以上的候選芯片——不是協(xié)議不對(duì)就是啟動(dòng)時(shí)序怪、紋波超標(biāo)、和手頭功率器件的驅(qū)動(dòng)配合不上。第二關(guān)是可靠性測(cè)試。充電頭是高密度功率產(chǎn)品芯片要在高溫、高濕、冷熱沖擊環(huán)境下不出問(wèn)題。協(xié)議芯片雖然工作在低壓側(cè)但旁邊就是變壓器和氮化鎵管電磁干擾和熱量傳導(dǎo)一樣逃不掉。第三關(guān)是整機(jī)兼容性測(cè)試。拿市面上主流的手機(jī)、平板、筆記本、游戲機(jī)一臺(tái)一臺(tái)實(shí)測(cè)充電握手和滿功率輸出。這一步最費(fèi)力因?yàn)槊靠钤O(shè)備對(duì)協(xié)議實(shí)現(xiàn)有微妙差異某些設(shè)備充電頭感覺(jué)“差不多”就行但另一些設(shè)備就是咬死不快充。第四關(guān)是認(rèn)證。3C、CE、FCC這些安規(guī)和EMC測(cè)試。這關(guān)不過(guò)前面的工作全部白做。第五關(guān)是量產(chǎn)爬坡。芯片原廠的產(chǎn)能、交期、良率品牌方代工廠的貼片工藝都得同步跟上。協(xié)議芯片一顆不起眼但它缺貨整個(gè)充電頭產(chǎn)線都得停。3.2 品牌商選芯片時(shí)那些“沒(méi)說(shuō)出口”的考量我接觸過(guò)一些做充電配件產(chǎn)品的人問(wèn)他們?yōu)槭裁催x某家的協(xié)議芯片得到的答案往往不是“它參數(shù)最好”而是幾件很現(xiàn)實(shí)的事原廠技術(shù)支持響應(yīng)快不快、參考設(shè)計(jì)文檔全不全、有沒(méi)有人跟產(chǎn)線一起debug、芯片交期穩(wěn)不穩(wěn)。這讓我想到職場(chǎng)里的一句老話靠譜往往比能力強(qiáng)更重要。放在芯片選型上同理。一顆協(xié)議芯片就算紙面性能再漂亮如果原廠不給參考設(shè)計(jì)、不幫客戶過(guò)認(rèn)證、出了問(wèn)題不配合排查品牌方根本不敢用。頭部數(shù)碼配件品牌對(duì)供應(yīng)鏈的要求更高。它在意的不是單顆芯片多便宜而是整條BOM穩(wěn)定、可追溯、出了問(wèn)題能找到人。HUSB351能被選中說(shuō)明它背后的原廠至少在支持體系和交付能力上過(guò)了品牌方的審查。3.3 消費(fèi)者最終感知到的是什么供應(yīng)鏈新聞看著跟自己沒(méi)關(guān)系但幾個(gè)月后它就會(huì)變成你手里產(chǎn)品的一部分。HUSB351進(jìn)供應(yīng)鏈短期內(nèi)的結(jié)果大概率是同功率段的充電頭要么體積再縮一圈要么同樣體積下價(jià)格更親民要么功能上多出一些有意思的東西。尤其是百元檔的小體積快充市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)一直很激烈。誰(shuí)能把芯片方案做簡(jiǎn)單、做穩(wěn)誰(shuí)就能在成本和體積之間找到更舒服的位置。HUSB351這類(lèi)高集成協(xié)議芯片一旦量產(chǎn)鋪開(kāi)受益的其實(shí)是普通用戶——你不一定知道充電頭里用的是哪顆芯片但你拿起它的時(shí)候會(huì)覺(jué)得“怎么這么小”或者“這次怎么沒(méi)以前那么熱”。4. 小體積快充里協(xié)議芯片的選型避坑聊完行業(yè)邏輯說(shuō)點(diǎn)實(shí)在的。如果你正在設(shè)計(jì)一款小體積快充或者準(zhǔn)備給自己的方案換新芯片下面這幾個(gè)坑我建議提前避開(kāi)。4.1 只盯著協(xié)議列表是最容易踩的坑很多人選協(xié)議芯片第一眼就看支持多少個(gè)協(xié)議、多少種檔位好像協(xié)議越多越厲害。但我實(shí)測(cè)過(guò)不少芯片發(fā)現(xiàn)“支持”和“支持得好”完全是兩回事。比如有的芯片協(xié)議列表里寫(xiě)著支持PPS但實(shí)際上PPS的調(diào)壓步進(jìn)是50mV還是20mV響應(yīng)速度是微秒級(jí)還是毫秒級(jí)列表里根本看不出來(lái)。只有拿真實(shí)手機(jī)實(shí)測(cè)才能發(fā)現(xiàn)某些檔位下握手會(huì)失敗或者功率被限制在一個(gè)偏低的值。我的建議是選型階段別怕麻煩直接找原廠要參考設(shè)計(jì)打樣回來(lái)把手頭能借到的手機(jī)、筆記本全部插一遍記錄每一檔的握手時(shí)間、穩(wěn)定輸出功率、切換檔位時(shí)的電壓過(guò)沖。數(shù)據(jù)積累比參數(shù)列表重要得多。4.2 封裝和Layout才是真戰(zhàn)場(chǎng)小體積快充對(duì)封裝很敏感。HUSB351這類(lèi)高集成芯片通常用小型封裝節(jié)省面積但小封裝也意味著散熱面積小、引腳間距小對(duì)PCB Layout提出更高要求。實(shí)際項(xiàng)目里我見(jiàn)過(guò)一個(gè)案例某方案為了省空間把協(xié)議芯片放在變壓器正下方結(jié)果整機(jī)滿載時(shí)芯片溫度飆到90度以上握手開(kāi)始不穩(wěn)定最后只能在結(jié)構(gòu)上加散熱片反而更占體積。這就是早期Layout沒(méi)做好數(shù)據(jù)“交學(xué)費(fèi)”。做小體積快充Layout階段要特別關(guān)注三件事一是協(xié)議芯片的VDD電容要盡量靠近引腳電源走線要短二是采樣回路的走線要遠(yuǎn)離功率開(kāi)關(guān)管的dv/dt區(qū)域三是如果芯片底部有散熱焊盤(pán)必須打足夠多的過(guò)孔到內(nèi)層銅皮來(lái)導(dǎo)熱。4.3 溫升、漏電和空載功耗別等量產(chǎn)再測(cè)協(xié)議芯片的很多問(wèn)題在開(kāi)發(fā)階段不會(huì)被發(fā)現(xiàn)等到了整機(jī)測(cè)試才冒出來(lái)這時(shí)往往改板成本已經(jīng)很高了。我最想提醒的是空載功耗和漏電。小體積快充因?yàn)榭臻g緊湊輔助電路和協(xié)議芯片的待機(jī)電流會(huì)被放大。有些充電頭插在插座上不接設(shè)備摸上去溫?zé)峋褪谴龣C(jī)功耗偏高的表現(xiàn)。HUSB351這類(lèi)高集成芯片如果能把待機(jī)功耗壓下去整機(jī)的溫升表現(xiàn)會(huì)好很多。另外就是滿載溫升測(cè)試。最快的方法是在密閉外殼里90V低壓輸入、滿載輸出跑一小時(shí)用熱電偶貼在協(xié)議芯片表面記錄溫度。協(xié)議芯片本身電流不大但旁邊就是高溫器件熱耦合跑不掉。5. 協(xié)議芯片上車(chē)之后小體積快充的下一個(gè)內(nèi)卷方向5.1 體驗(yàn)差異會(huì)從“功率大小”轉(zhuǎn)向“細(xì)節(jié)順滑度”前幾年各家品牌拼的是“我能出多少瓦”65W、100W、140W一路往上堆。但到200W之后功率數(shù)字對(duì)普通用戶的邊際感知已經(jīng)很低了——大多數(shù)人用的設(shè)備65W和100W的充電體驗(yàn)差距沒(méi)那么明顯。接下來(lái)能拉開(kāi)差距的是細(xì)節(jié)多設(shè)備接入時(shí)的功率分配策略、拔插設(shè)備時(shí)不斷連、低電量搶充時(shí)的調(diào)壓響應(yīng)、涓流階段的精準(zhǔn)截止。這些體驗(yàn)層面的東西恰恰都跟協(xié)議芯片的狀態(tài)機(jī)寫(xiě)得好不好有關(guān)。HUSB351如果能在細(xì)節(jié)體驗(yàn)上站住腳后面跟進(jìn)的高集成協(xié)議芯片只會(huì)越來(lái)越多。5.2 協(xié)議芯片和氮化鎵的進(jìn)一步融合這次HUSB351進(jìn)供應(yīng)鏈?zhǔn)悄壳按筅厔?shì)的一個(gè)切片快充主控正在把協(xié)議、控制、保護(hù)、穩(wěn)壓集成到一起。下一步大概率是協(xié)議芯片和氮化鎵驅(qū)動(dòng)、合封器件做系統(tǒng)級(jí)封裝直接把功率級(jí)和協(xié)議級(jí)封裝在一個(gè)模塊里。到那時(shí)候充電頭內(nèi)部的主板會(huì)更加簡(jiǎn)化。做產(chǎn)品的人不用再糾結(jié)器件布局代工廠的貼片工序也會(huì)更簡(jiǎn)單。但這也意味著硬件工程師能“手動(dòng)調(diào)校”的空間在變小很多東西都封裝進(jìn)了黑盒里。我的態(tài)度是該蹭的集成度還是要蹭但基礎(chǔ)的協(xié)議原理、PD流程、PPS調(diào)壓機(jī)制這些底子還是要搞懂不然出了問(wèn)題只能干瞪眼。我個(gè)人在實(shí)際項(xiàng)目里的體會(huì)是選擇高集成協(xié)議芯片確實(shí)能讓產(chǎn)品快速落地、體積指標(biāo)做得漂亮但它不是偷懶的借口。電源設(shè)計(jì)里該做的熱設(shè)計(jì)、Layout評(píng)估、兼容性測(cè)試一項(xiàng)都省不掉。HUSB351這類(lèi)芯片進(jìn)入頭部品牌供應(yīng)鏈對(duì)整個(gè)行業(yè)的正面意義在于它把“小體積快充”的門(mén)檻拉低了一截——以前要堆好幾顆芯片才能實(shí)現(xiàn)的協(xié)議功能現(xiàn)在一顆就夠。剩下的就看誰(shuí)能在細(xì)節(jié)體驗(yàn)和可靠性上做文章了。