氮化镓快充市场增速迅猛 国产主控芯片实现自主可控

2021-01-08 18:07:00
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2020年氮化镓快充技术的商用正式进入快车道,尤其是随着数码产品大功率快充以及5G时代的到来,氮化镓技术在消费类电源领域的发展如鱼得水,市场容量增速迅猛。氮化镓快充市场的爆发,带来的不仅是功率器件市场的变革,同时也促进了GaNFET控制技术发展,目前国内外已出现一批有实力的芯片公司,纷纷推出氮化镓控制器。

一、氮化镓快充市场规模

氮化镓(gallium nitride,GaN)是下一代半导体材料,其运行速度比旧式传统硅(Si)技术加快了二十倍,并且能够实现高出三倍的功率,用于尖端快速充电器产品时,可以实现远远超过现有产品的性能,在尺寸相同的情况下,输出功率提高了三倍。

也正是得益于这些性能优势,氮化镓在消费类快充电源市场中有着广泛的应用。充电头网统计数据显示,目前已有数十家主流电源厂商开辟了氮化镓快充产品线,推出的氮化镓快充新品多达数百款。 华为小米OPPO、魅族、 三星、中兴、努比亚、魅族、 Realme戴尔、联想等多家知名 手机/笔电品牌先后入局, 苹果也将在2021年推出氮化镓快充。

另有数据显示,在以电商客户为主的充电器市场,2019年氮化镓功率器件出货量约为300万-400万颗,随着手机以及笔记本电脑渗透率进一步提升,2020年将实现5-6倍增长,总体出货1500-2000万颗,2021年GaN器件的出货量有望达到5000万颗。预计2025年全球GaN快充市场规模将达到600多亿元,市场前景异常可观。

二、氮化镓快充核心芯片市场现状

芯片乃快充之根本,对于GaN快充的开发而言,需要用到氮化镓功率器件和氮化镓控制器两大最为核心的芯片。在氮化镓功率器件方面,全球范围内已有纳微、英诺赛科、transphorm、GaNsystems、英飞凌、氮矽科技、芯冠科技、聚能创芯、量芯微、艾美创、未来芯科技、鸿镓科技等数十家供应商。

国产氮化镓原厂以英诺赛科为代表,其在苏州已建成了全球最大的集研发、设计、外延生产、芯片制造、测试等于一体的第三代半导体全产业链研发生产平台,满产后可将实现月产8英寸硅基氮化镓晶圆65000片,为快充领域的应用提供了充足的供货保障。此外,氮矽科技、芯冠科技、聚能创芯、量芯微等一批本土氮化镓原厂也相继发布了应用于快充领域的新品,并有成熟的方案可选。

相比氮化镓功率器件而言,氮化镓控制芯片的研发就成了国产半导体厂商的薄弱的环节,氮化镓快充产品的开发基本依赖于进口控制器。充电头网通过拆解了解到,目前市面上量产的主流氮化镓快充产品中,除了采用PI的高集成的合封氮化镓主控芯片之外,仅有安森美、TI两家进口品牌可选,尤其是安森美高频QR反激控制器,已经成为了时下众多高性价比氮化镓快充发方案的首选。

在氮化镓快充市场迅速扩大的进程中,氮化镓控制芯片的单一性导致了产品趋于同质化,竞争力下降,不利于市场良性发展。此外,国产半导体厂商一天不实现氮化镓控制技术突破,整个氮化镓快充市场的主动权就一天掌握在进口品牌手中。所以对于本土氮化镓快充控制芯片厂商而言,国产替代进口迫在眉睫。

三、氮化镓控制技术自主可控

在半导体国产化的时代大背景下,国内芯片原厂已经陆续实现了普通快充电源芯片的国产替代,尤其是在DC-DC电源芯片、小功率AC-DC电源芯片,以及 快充协议芯片领域成绩斐然。不过对于氮化镓快充而言,由于GaN功率器件驱动电压范围很窄,VGS对负压敏感,器件开启电压阈值(VGS-th)低1V~2V左右,极易受干扰而误开启。所以相较传统硅器件而言,驱动氮化镓的驱动器和控制器一直都是国产半导体厂商技术攻坚的难点。

近日,基于南芯半导体氮化镓控制芯片SC3021A开发的65W GaN快充在东莞市瑞亨电子科技有限公司正式量产问世,并搭配英诺赛科氮化镓功率器件以及智融协议芯片,组成了一套高效的氮化镓快充方案,这也标志着国产氮化镓快充核心芯片真正实现自主可控。

四、国产氮化镓控制芯片盘点

据充电头网调研了解到,目前国内除了南芯半导体之外,还有美思迪赛、亚成微、杰华特、必易微等多家电源芯片原厂布局了氮化镓控制器产品线,并有多款基于国产控制器开发的氮化镓快充方案几近量产,极大丰富了快充电源厂商的选型需求。

SOUTHCHIP南芯

1、南芯SC3021A

南芯SC3021A最高支持170KHz工作频率,适用于绕线式变压器,可搭配RM8(LM8)绕线式变压器。南芯SC3021A满足各类高频QR快充需求,采用专有的GaN直驱设计,省去外置驱动器或者分立驱动器件;集成分段式供电模式,单绕组供电,无需复杂的供电电路;内置高压启动及交流输入Brown In/Out功能,集成了X-cap放电功能。

基于南芯SC3021A+SC3503+SC2151A方案开发的65W单口绕线变压器氮化镓快充方案,PCB板尺寸可做到54*30*23mm,功率密度达1.7W/cm³,具有BOM极简、高性价比、高功率密度等特点。并且支持PD、PPS、AFC、FCP、SCP、VOOC等快充协议,具备5V3A、9V3A、12V3A、15V3A、20V3.25A和3A PPS电压档位。

2、南芯SC3021B

南芯SC3021B支持最高260KHz工作频率,专为平面变压器设计,也是首批国产GaN直驱控制器,集成分段式供电。南芯SC3021B满足各类高频QR快充需求,采用专有的GaN直驱设计,省去外置驱动器或者分立驱动器件;集成分段式供电模式,单绕组供电,无需复杂的供电电路;内置高压启动及交流输入Brown In/Out功能,集成了X-cap放电功能。

基于南芯SC3021B+SC3503+SC2151A的芯片组合开发的65W单口平面变压器氮化镓快充方案,搭配英诺赛科INN650D02氮化镓功率器件。

可以看到,为了实现更高的功率密度,该方案采用更加紧凑的设计。输入端采用两块小板,让整个PCB模块体积进一步压缩,尺寸可做到50*27*25mm,功率密度达1.9W/cm³,具有BOM极简,高功率密度特点。

3、南芯SC3021D

南芯SC3021D支持170KHz GaN直驱,专为30W氮化镓充电器进行设计,并在该方案下可采用ATQ17/15绕线式变压器,极具性价比。南芯SC3021D采用专有的GaN直驱设计,省去外置驱动器或者分立驱动器件;集成分段式供电模式,单绕组供电,无需复杂的供电电路;内置高压启动及交流输入Brown In/Out功能,集成了X-cap放电功能。

基于SC3021D、SC3503、SC2151A三颗芯片开发的30W氮化镓单口快充方案。兼容协议多,电压档位齐全,性能强悍。该方案下PCB板尺寸仅为36*32*20mm,功率密度为1.3W/cm³,高功率密度是其另一大特点。

在SC2151A协议芯片加持下,USB-C口支持PD、PPS、AFC、FCP、SCP、VOOC等快充协议,具备5V3A、9V3A、12V2.5A、15V2A、20V1.5A和3A/2A PPS电压档位。

MIX-DESIGN美思迪赛

1、美思迪赛MX6535

美思迪赛MX6535是国内首颗具备量产条件的氮化镓快充主控制芯片,打破了国内没有氮化镓控制IC和驱动IC的局面。其可以实现精准的多级恒压和多级恒流调节,而无需传统的二次电流反馈电路;采用美思迪赛第二代Smart-Feedback技术,它不仅消除了传统电源的电压电流反馈电路补偿网络的需要,并能在所有操作条件下宽范围输出时(3.3V~20V)保持系统稳定性。

同时,具备全面的保护功能和故障解除系统自动恢复功能,包括逐周期电流限制、不同输出电压自适应的过电压保护、反馈回路开路保护、芯片内外部OTP功能等。

MX6535与同样出自美思迪赛半导体集成同步整流的二次侧快充协议SOC控制器搭配设计,能非常方便的实现18W~100W的USB PD或者QC小体积的快充电源设计,内部先进的数字控制系统可根据手机的输出能力请求实现快速平稳的电压和功率转换。此外MX6535还可以根据用户需求实现兼容联发科(MTK)PE2.0 plus充电器协议。

美思迪赛MX6535搭配自家的次级芯片可以实现超精简超高集成度的设计,在开发65W氮化镓快充产品时,只需一块PCB就能完成紧凑的结构设计,且整块PCB板尺寸仅两枚硬币大小。这一方面得益于MX6535内置了氮化镓驱动,并消除了传统的二次反馈电路;另一方面也得益于次级芯片内置同步整流控制器和协议识别,并通过数字算法把传统初次级电压及电流RC环路补偿网络直接省去。

REACTOR亚成微

1、亚成微RM6801SN

亚成微RM6801SN是一款E-Mode GaN FET直驱控制ZVS反激芯片,这也是国内首个直驱氮化镓功率器件ZVS反激控制器,填补了国内空白。

亚成微RM6801SN是一款高性能高可靠性电流控制型PWM开关控制芯片,内置700V高压启动、X-cap放电、可调交流输入Brown in/out等功能,工作频率高达130KHz,全电压范围内待机功耗小于65mW,满足六级能效标准;并且支持CCM/QR混合模式以及拥有完备的各种保护功能,专有ZVS技术降低GaNFET开关损耗,改善EMI特性。

亚成微RM6801SN采用专有驱动技术,直驱E-MODE GaN功率器件,提高产品效率及功率密度,简化EMI滤波电路设计,降低EMI器件成本,可以应用于大功率快速充电器。

JOULWATT杰华特

1、杰华特JW1550

杰华特JW1550是一款有源钳位反激控制器,可以实现ZVS开通,提高效率,满足高频应用的需求;同时回收漏感能量,进一步提高效率;芯片加入抖频功能,改善系统的EMI性能;同时支持X-cap放电;供电内置Boost电路,适合宽范围输出应用,并且节省供电损耗;外围电路简单,方便应用。

为了展示JW1550芯片的性能,杰华特目前已经基于该芯片开发出了一套65W氮化镓快充参考设计,该方案搭配软线变压器,具有外围芯片简洁、高频、高效等特点。

2、杰华特JW1515H

杰华特JW1515H高性价比的高频QR反激控制器,具备高耐压供电pin,最高供电电压高达90V,可由辅助绕组直供,无需采用LDO、Boost、双绕组供电等方式即可轻松适配宽输出电压范围;高可靠的GaN直驱,6V驱动电压可直接驱动GaN器件;电流检测采用负电压采样技术,最大限度减小驱动回路满足高频应用;可选且可调的OCP与OPP功能,针对不同PD输出规格,可以选择最合适的保护功能,无需增加外围器件即可满足LPS要求;同时具备高压启动、X-cap放电、独立外部OTP功能,轻松应对多重需求。

KIVI必易科技

1、必易KP2202

必易KP2202是一款高性能氮化镓快充控制器,其内置高压启动功能,并集成了AC输入掉电检测与X电容放电功能;芯片拥有±1%恒压精度;超低启动/工作电流,待机功耗小于30mW;支持低谷锁定模式,最高工作频率分500kHz、300kHz、140kHz三档可调;通过峰值电流抖动实现抖频功能;VDD供电范围8-100V。

目前必易微电子已经根据KP2202开发出了一套65W氮化镓快充参考设计,得益于芯片内置驱动,外围电路精简,可搭配市面上主流的GaN功率器件开发高频、高效、高功率密度的氮化镓快充方案。

据了解,必易KP2202目前还处于开发调试阶段,预计2021年三月将有量产版本进入市场,值得期待。

充电头网总结

大功率、小体积、高性能已经成为消费类电源产品的主要发展趋势。随着众多氮化镓功率器件厂商入局以及产品技术升级迭代,开发氮化镓快充的成本正在逐步下降,据行业信息显示,GaN功率器件的成本将在2021年之后逐渐低于现有的硅功率器件,成为新一代高性价比快充电源产品的最佳选择。

氮化镓技术的成熟为传统的快充市场注入了新的活力,不断推动电源产品的更新迭代。同时,在高速发展消费类电源市场中,本土芯片厂商的短板也逐渐显露,关键的GaN器件控制技术长时间受制于人,丧失了市场主动权。

可喜的是,在本土电源芯片的厂商的不懈努力下,氮化镓快充GaN FET控制芯片的研发已经取得突破性进展,并为此开发了相当丰富的参考设计。在前不久的2020年(冬季)USB PD&Type-C亚洲展上,充电头网也在现场看到了诸多基于全套国产器件开发的氮化镓快充案例,相信在未来的快充市场中,全国产的氮化镓快充方案将成为更多电源厂商的选择。




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