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2020年氮化鎵快充技術(shù)的商用正式進(jìn)入快車道，尤其是隨著數(shù)碼產(chǎn)品大功率快充以及5G時(shí)代的到來(lái)，氮化鎵技術(shù)在消費(fèi)類電源領(lǐng)域的發(fā)展如魚得水，市場(chǎng)容量增速迅猛。氮化鎵快充市場(chǎng)的爆發(fā)，帶來(lái)的不僅是功率器件市場(chǎng)的變革，同時(shí)也促進(jìn)了GaNFET控制技術(shù)發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外已出現(xiàn)一批有實(shí)力的芯片公司，紛紛推出氮化鎵控制器。
一、氮化鎵快充市場(chǎng)規(guī)模
氮化鎵（gallium nitride，GaN）是下一代半導(dǎo)體材料，其運(yùn)行速度比舊式傳統(tǒng)硅（Si）技術(shù)加快了二十倍，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高出三倍的功率，用于尖端快速充電器產(chǎn)品時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有產(chǎn)品的性能，在尺寸相同的情況下，輸出功率提高了三倍。
也正是得益于這些性能優(yōu)勢(shì)，氮化鎵在消費(fèi)類快充電源市場(chǎng)中有著廣泛的應(yīng)用。充電頭網(wǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前已有數(shù)十家主流電源廠商開辟了氮化鎵快充產(chǎn)品線，推出的氮化鎵快充新品多達(dá)數(shù)百款。華為、小米、OPPO、魅族、三星、中興、努比亞、魅族、Realme、戴爾、聯(lián)想等多家知名手機(jī)/筆電品牌先后入局，蘋果也將在2021年推出氮化鎵快充。
另有數(shù)據(jù)顯示，在以電商客戶為主的充電器市場(chǎng)，2019年氮化鎵功率器件出貨量約為300萬(wàn)-400萬(wàn)顆，隨著手機(jī)以及筆記本電腦滲透率進(jìn)一步提升，2020年將實(shí)現(xiàn)5-6倍增長(zhǎng)，總體出貨1500-2000萬(wàn)顆，2021年GaN器件的出貨量有望達(dá)到5000萬(wàn)顆。預(yù)計(jì)2025年全球GaN快充市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到600多億元，市場(chǎng)前景異?？捎^。
二、氮化鎵快充核心芯片市場(chǎng)現(xiàn)狀
芯片乃快充之根本，對(duì)于GaN快充的開發(fā)而言，需要用到氮化鎵功率器件和氮化鎵控制器兩大最為核心的芯片。在氮化鎵功率器件方面，全球范圍內(nèi)已有納微、英諾賽科、transphorm、GaNsystems、英飛凌、氮矽科技、芯冠科技、聚能創(chuàng)芯、量芯微、艾美創(chuàng)、未來(lái)芯科技、鴻鎵科技等數(shù)十家供應(yīng)商。
國(guó)產(chǎn)氮化鎵原廠以英諾賽科為代表，其在蘇州已建成了全球最大的集研發(fā)、設(shè)計(jì)、外延生產(chǎn)、芯片制造、測(cè)試等于一體的第三代半導(dǎo)體全產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)生產(chǎn)平臺(tái)，滿產(chǎn)后可將實(shí)現(xiàn)月產(chǎn)8英寸硅基氮化鎵晶圓65000片，為快充領(lǐng)域的應(yīng)用提供了充足的供貨保障。此外，氮矽科技、芯冠科技、聚能創(chuàng)芯、量芯微等一批本土氮化鎵原廠也相繼發(fā)布了應(yīng)用于快充領(lǐng)域的新品，并有成熟的方案可選。
相比氮化鎵功率器件而言，氮化鎵控制芯片的研發(fā)就成了國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體廠商的薄弱的環(huán)節(jié)，氮化鎵快充產(chǎn)品的開發(fā)基本依賴于進(jìn)口控制器。充電頭網(wǎng)通過(guò)拆解了解到，目前市面上量產(chǎn)的主流氮化鎵快充產(chǎn)品中，除了采用PI的高集成的合封氮化鎵主控芯片之外，僅有安森美、TI兩家進(jìn)口品牌可選，尤其是安森美高頻QR反激控制器，已經(jīng)成為了時(shí)下眾多高性價(jià)比氮化鎵快充發(fā)方案的首選。
在氮化鎵快充市場(chǎng)迅速擴(kuò)大的進(jìn)程中，氮化鎵控制芯片的單一性導(dǎo)致了產(chǎn)品趨于同質(zhì)化，競(jìng)爭(zhēng)力下降，不利于市場(chǎng)良性發(fā)展。此外，國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體廠商一天不實(shí)現(xiàn)氮化鎵控制技術(shù)突破，整個(gè)氮化鎵快充市場(chǎng)的主動(dòng)權(quán)就一天掌握在進(jìn)口品牌手中。所以對(duì)于本土氮化鎵快充控制芯片廠商而言，國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)口迫在眉睫。
三、氮化鎵控制技術(shù)自主可控
在半導(dǎo)體國(guó)產(chǎn)化的時(shí)代大背景下，國(guó)內(nèi)芯片原廠已經(jīng)陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了普通快充電源芯片的國(guó)產(chǎn)替代，尤其是在DC-DC電源芯片、小功率AC-DC電源芯片，以及快充協(xié)議芯片領(lǐng)域成績(jī)斐然。不過(guò)對(duì)于氮化鎵快充而言，由于GaN功率器件驅(qū)動(dòng)電壓范圍很窄，VGS對(duì)負(fù)壓敏感，器件開啟電壓閾值（VGS-th）低1V~2V左右，極易受干擾而誤開啟。所以相較傳統(tǒng)硅器件而言，驅(qū)動(dòng)氮化鎵的驅(qū)動(dòng)器和控制器一直都是國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體廠商技術(shù)攻堅(jiān)的難點(diǎn)。
近日，基于南芯半導(dǎo)體氮化鎵控制芯片SC3021A開發(fā)的65W GaN快充在東莞市瑞亨電子科技有限公司正式量產(chǎn)問(wèn)世，并搭配英諾賽科氮化鎵功率器件以及智融協(xié)議芯片，組成了一套高效的氮化鎵快充方案，這也標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)氮化鎵快充核心芯片真正實(shí)現(xiàn)自主可控。
四、國(guó)產(chǎn)氮化鎵控制芯片盤點(diǎn)
據(jù)充電頭網(wǎng)調(diào)研了解到，目前國(guó)內(nèi)除了南芯半導(dǎo)體之外，還有美思迪賽、亞成微、杰華特、必易微等多家電源芯片原廠布局了氮化鎵控制器產(chǎn)品線，并有多款基于國(guó)產(chǎn)控制器開發(fā)的氮化鎵快充方案幾近量產(chǎn)，極大豐富了快充電源廠商的選型需求。
SOUTHCHIP南芯
1、南芯SC3021A
南芯SC3021A最高支持170KHz工作頻率，適用于繞線式變壓器，可搭配RM8（LM8）繞線式變壓器。南芯SC3021A滿足各類高頻QR快充需求，采用專有的GaN直驅(qū)設(shè)計(jì)，省去外置驅(qū)動(dòng)器或者分立驅(qū)動(dòng)器件；集成分段式供電模式，單繞組供電，無(wú)需復(fù)雜的供電電路；內(nèi)置高壓啟動(dòng)及交流輸入Brown In/Out功能，集成了X-cap放電功能。
基于南芯SC3021A+SC3503+SC2151A方案開發(fā)的65W單口繞線變壓器氮化鎵快充方案，PCB板尺寸可做到54*30*23mm，功率密度達(dá)1.7W/cm3，具有BOM極簡(jiǎn)、高性價(jià)比、高功率密度等特點(diǎn)。并且支持PD、PPS、AFC、FCP、SCP、VOOC等快充協(xié)議，具備5V3A、9V3A、12V3A、15V3A、20V3.25A和3A PPS電壓檔位。
2、南芯SC3021B
南芯SC3021B支持最高260KHz工作頻率，專為平面變壓器設(shè)計(jì)，也是首批國(guó)產(chǎn)GaN直驅(qū)控制器，集成分段式供電。南芯SC3021B滿足各類高頻QR快充需求，采用專有的GaN直驅(qū)設(shè)計(jì)，省去外置驅(qū)動(dòng)器或者分立驅(qū)動(dòng)器件；集成分段式供電模式，單繞組供電，無(wú)需復(fù)雜的供電電路；內(nèi)置高壓?jiǎn)?dòng)及交流輸入Brown In/Out功能，集成了X-cap放電功能。
基于南芯SC3021B+SC3503+SC2151A的芯片組合開發(fā)的65W單口平面變壓器氮化鎵快充方案，搭配英諾賽科INN650D02氮化鎵功率器件。
可以看到，為了實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，該方案采用更加緊湊的設(shè)計(jì)。輸入端采用兩塊小板，讓整個(gè)PCB模塊體積進(jìn)一步壓縮，尺寸可做到50*27*25mm，功率密度達(dá)1.9W/cm3，具有BOM極簡(jiǎn)，高功率密度特點(diǎn)。
3、南芯SC3021D
南芯SC3021D支持170KHz GaN直驅(qū)，專為30W氮化鎵充電器進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在該方案下可采用ATQ17/15繞線式變壓器，極具性價(jià)比。南芯SC3021D采用專有的GaN直驅(qū)設(shè)計(jì)，省去外置驅(qū)動(dòng)器或者分立驅(qū)動(dòng)器件；集成分段式供電模式，單繞組供電，無(wú)需復(fù)雜的供電電路；內(nèi)置高壓?jiǎn)?dòng)及交流輸入Brown In/Out功能，集成了X-cap放電功能。
基于SC3021D、SC3503、SC2151A三顆芯片開發(fā)的30W氮化鎵單口快充方案。兼容協(xié)議多，電壓檔位齊全，性能強(qiáng)悍。該方案下PCB板尺寸僅為36*32*20mm，功率密度為1.3W/cm3，高功率密度是其另一大特點(diǎn)。
在SC2151A協(xié)議芯片加持下，USB-C口支持PD、PPS、AFC、FCP、SCP、VOOC等快充協(xié)議，具備5V3A、9V3A、12V2.5A、15V2A、20V1.5A和3A/2A PPS電壓檔位。
MIX-DESIGN美思迪賽
1、美思迪賽MX6535
美思迪賽MX6535是國(guó)內(nèi)首顆具備量產(chǎn)條件的氮化鎵快充主控制芯片，打破了國(guó)內(nèi)沒(méi)有氮化鎵控制IC和驅(qū)動(dòng)IC的局面。其可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的多級(jí)恒壓和多級(jí)恒流調(diào)節(jié)，而無(wú)需傳統(tǒng)的二次電流反饋電路；采用美思迪賽第二代Smart-Feedback技術(shù)，它不僅消除了傳統(tǒng)電源的電壓電流反饋電路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的需要，并能在所有操作條件下寬范圍輸出時(shí)（3.3V~20V）保持系統(tǒng)穩(wěn)定性。
同時(shí)，具備全面的保護(hù)功能和故障解除系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)功能，包括逐周期電流限制、不同輸出電壓自適應(yīng)的過(guò)電壓保護(hù)、反饋回路開路保護(hù)、芯片內(nèi)外部OTP功能等。
MX6535與同樣出自美思迪賽半導(dǎo)體集成同步整流的二次側(cè)快充協(xié)議SOC控制器搭配設(shè)計(jì)，能非常方便的實(shí)現(xiàn)18W~100W的USB PD或者QC小體積的快充電源設(shè)計(jì)，內(nèi)部先進(jìn)的數(shù)字控制系統(tǒng)可根據(jù)手機(jī)的輸出能力請(qǐng)求實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)的電壓和功率轉(zhuǎn)換。此外MX6535還可以根據(jù)用戶需求實(shí)現(xiàn)兼容聯(lián)發(fā)科（MTK）PE2.0 plus充電器協(xié)議。
美思迪賽MX6535搭配自家的次級(jí)芯片可以實(shí)現(xiàn)超精簡(jiǎn)超高集成度的設(shè)計(jì)，在開發(fā)65W氮化鎵快充產(chǎn)品時(shí)，只需一塊PCB就能完成緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且整塊PCB板尺寸僅兩枚硬幣大小。這一方面得益于MX6535內(nèi)置了氮化鎵驅(qū)動(dòng)，并消除了傳統(tǒng)的二次反饋電路；另一方面也得益于次級(jí)芯片內(nèi)置同步整流控制器和協(xié)議識(shí)別，并通過(guò)數(shù)字算法把傳統(tǒng)初次級(jí)電壓及電流RC環(huán)路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)直接省去。
REACTOR亞成微
1、亞成微RM6801SN
亞成微RM6801SN是一款E-Mode GaN FET直驅(qū)控制ZVS反激芯片，這也是國(guó)內(nèi)首個(gè)直驅(qū)氮化鎵功率器件ZVS反激控制器，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。
亞成微RM6801SN是一款高性能高可靠性電流控制型PWM開關(guān)控制芯片，內(nèi)置700V高壓?jiǎn)?dòng)、X-cap放電、可調(diào)交流輸入Brown in/out等功能，工作頻率高達(dá)130KHz，全電壓范圍內(nèi)待機(jī)功耗小于65mW，滿足六級(jí)能效標(biāo)準(zhǔn)；并且支持CCM/QR混合模式以及擁有完備的各種保護(hù)功能，專有ZVS技術(shù)降低GaNFET開關(guān)損耗，改善EMI特性。
亞成微RM6801SN采用專有驅(qū)動(dòng)技術(shù)，直驅(qū)E-MODE GaN功率器件，提高產(chǎn)品效率及功率密度，簡(jiǎn)化EMI濾波電路設(shè)計(jì)，降低EMI器件成本，可以應(yīng)用于大功率快速充電器。
JOULWATT杰華特
1、杰華特JW1550
杰華特JW1550是一款有源鉗位反激控制器，可以實(shí)現(xiàn)ZVS開通，提高效率，滿足高頻應(yīng)用的需求；同時(shí)回收漏感能量，進(jìn)一步提高效率；芯片加入抖頻功能，改善系統(tǒng)的EMI性能；同時(shí)支持X-cap放電；供電內(nèi)置Boost電路，適合寬范圍輸出應(yīng)用，并且節(jié)省供電損耗；外圍電路簡(jiǎn)單，方便應(yīng)用。
為了展示JW1550芯片的性能，杰華特目前已經(jīng)基于該芯片開發(fā)出了一套65W氮化鎵快充參考設(shè)計(jì)，該方案搭配軟線變壓器，具有外圍芯片簡(jiǎn)潔、高頻、高效等特點(diǎn)。
2、杰華特JW1515H
杰華特JW1515H高性價(jià)比的高頻QR反激控制器，具備高耐壓供電pin，最高供電電壓高達(dá)90V，可由輔助繞組直供，無(wú)需采用LDO、Boost、雙繞組供電等方式即可輕松適配寬輸出電壓范圍；高可靠的GaN直驅(qū)，6V驅(qū)動(dòng)電壓可直接驅(qū)動(dòng)GaN器件；電流檢測(cè)采用負(fù)電壓采樣技術(shù)，最大限度減小驅(qū)動(dòng)回路滿足高頻應(yīng)用；可選且可調(diào)的OCP與OPP功能，針對(duì)不同PD輸出規(guī)格，可以選擇最合適的保護(hù)功能，無(wú)需增加外圍器件即可滿足LPS要求；同時(shí)具備高壓?jiǎn)?dòng)、X-cap放電、獨(dú)立外部OTP功能，輕松應(yīng)對(duì)多重需求。
KIVI必易科技
1、必易KP2202
必易KP2202是一款高性能氮化鎵快充控制器，其內(nèi)置高壓?jiǎn)?dòng)功能，并集成了AC輸入掉電檢測(cè)與X電容放電功能；芯片擁有±1%恒壓精度；超低啟動(dòng)/工作電流，待機(jī)功耗小于30mW；支持低谷鎖定模式，最高工作頻率分500kHz、300kHz、140kHz三檔可調(diào)；通過(guò)峰值電流抖動(dòng)實(shí)現(xiàn)抖頻功能；VDD供電范圍8-100V。
目前必易微電子已經(jīng)根據(jù)KP2202開發(fā)出了一套65W氮化鎵快充參考設(shè)計(jì)，得益于芯片內(nèi)置驅(qū)動(dòng)，外圍電路精簡(jiǎn)，可搭配市面上主流的GaN功率器件開發(fā)高頻、高效、高功率密度的氮化鎵快充方案。
據(jù)了解，必易KP2202目前還處于開發(fā)調(diào)試階段，預(yù)計(jì)2021年三月將有量產(chǎn)版本進(jìn)入市場(chǎng)，值得期待。
充電頭網(wǎng)總結(jié)
大功率、小體積、高性能已經(jīng)成為消費(fèi)類電源產(chǎn)品的主要發(fā)展趨勢(shì)。隨著眾多氮化鎵功率器件廠商入局以及產(chǎn)品技術(shù)升級(jí)迭代，開發(fā)氮化鎵快充的成本正在逐步下降，據(jù)行業(yè)信息顯示，GaN功率器件的成本將在2021年之后逐漸低于現(xiàn)有的硅功率器件，成為新一代高性價(jià)比快充電源產(chǎn)品的最佳選擇。
氮化鎵技術(shù)的成熟為傳統(tǒng)的快充市場(chǎng)注入了新的活力，不斷推動(dòng)電源產(chǎn)品的更新迭代。同時(shí)，在高速發(fā)展消費(fèi)類電源市場(chǎng)中，本土芯片廠商的短板也逐漸顯露，關(guān)鍵的GaN器件控制技術(shù)長(zhǎng)時(shí)間受制于人，喪失了市場(chǎng)主動(dòng)權(quán)。
可喜的是，在本土電源芯片的廠商的不懈努力下，氮化鎵快充GaN FET控制芯片的研發(fā)已經(jīng)取得突破性進(jìn)展，并為此開發(fā)了相當(dāng)豐富的參考設(shè)計(jì)。在前不久的2020年（冬季）USB PD&Type-C亞洲展上，充電頭網(wǎng)也在現(xiàn)場(chǎng)看到了諸多基于全套國(guó)產(chǎn)器件開發(fā)的氮化鎵快充案例，相信在未來(lái)的快充市場(chǎng)中，全國(guó)產(chǎn)的氮化鎵快充方案將成為更多電源廠商的選擇。
責(zé)編AJX
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