氮化鎵快充十大發展趨勢前瞻

氮化鎵(gallium nitride,GaN)是下一代半導體材料,其運行速度比舊式傳統硅(Si)技術快了二十倍,並且能夠實現高出三倍的功率,用於尖端快速充電器產品時,可以實現遠遠超過現有產品的性能,在尺寸相同的情況下,輸出功率提高了三倍。

也正是得益於這些性能優勢,氮化鎵在消費類快充電源市場中有着廣泛的應用。充電頭網統計數據顯示,目前已有數十家主流電源廠商開辟了氮化鎵快充產品線,推出的氮化鎵快充新品多達數百款。此外截至2020年,充電頭網也已經累計拆解了近百款氮化鎵快充產品,為廣大電源工程師的參考選型提供了豐富的案例參考。氮化鎵快充十大發展趨勢前瞻

可以預見,2021年氮化鎵快充將成為繼續引領市場發展的風向標。同時,充電頭網也整理了一些2021年極有可能出現的前瞻性發展趨勢分享給大家。

合封成為趨勢

氮化鎵快充十大發展趨勢前瞻

為了在產品中實現更加簡潔的外圍設計,合封氮化鎵芯片逐漸成為市場趨勢。充電頭網通過整理了解到,目前市面上合封氮化鎵芯片可分為以下四種類型:

控制器+驅動器+GaN:這種方式以老牌電源芯片品牌PI為代表,PowiGaN芯片獲眾多品牌青睞。其基於InSOP-24D封裝,推出了十餘款合封主控、氮化鎵功率器件、同步整流控制器等的高集成氮化鎵芯片,成為了合封氮化鎵快充芯片領域的領導者。

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此外在本土供應商中,東科半導體率先推出兩款合封氮化鎵功率器件的主控芯片DKG045Q和DKG065Q, 芯片內部整合了650V/200mΩ E-mode GaN HEMT、邏輯控制器、GaN驅動器、高壓啟動管等,採用變頻QR控制方式,對應的最大輸出功率分別為45W和65W。這兩款芯片在節約系統成本,加速產品上市方面均有着巨大的優勢,並有望在2021年量產。

驅動器+GaN:這種合封的氮化鎵功率芯片以納微半導體為主要代表,其為業界首家推出內置驅動氮化鎵功率芯片的廠商,憑借精簡的外圍設計,獲得廣大工程師及電源廠商青睞,在2020年底,達成芯片出貨量突破1300萬顆的好成績。

驅動器+2*GaN:合封兩顆氮化鎵功率器件以及驅動器的雙管半橋產品,其集成度較傳統的氮化鎵功率器件更高。這類產品應用於ACF架構,以及LLC架構的氮化鎵快充產品中,可以實現更加精簡的外圍設計。目前納微半導體、英飛凌、意法半導體等廠商在這類合封氮化鎵芯片方面均有布局。

驅動器+保護+GaN:納微半導體近期推出了新一代氮化鎵功率芯片NV6128,集成集成GaN FET、驅動器和邏輯保護器件。將保護電路也加入氮化鎵器件中,通過整合開關管和邏輯電路,可得到更低的寄生參數以及更短的響應時間。該芯片可以實現數字輸入,功率輸出高性能,電源工程師可基於此設計出更快更小更高速的電源。

LLC架構普及

LLC架構屬於雙管半橋諧振,採用諧振電感、勵磁電感和諧振電容串聯,故名LLC。採用零電壓開關(ZVS)軟開關技術,具有工作頻率高、損耗小、效率高、體積小的優點,可提高充電器功率密度。

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LLC架構諧振操作可實現全負載范圍的軟開關,減小開關損耗,從而成為高頻和高功率密度設計的理想選擇,適合固定電壓輸出,EMI特性更好。尤其是應用在多口輸出的大功率快充電源產品中,LLC架構輸出固定電壓+二次降壓實現多口PD快充的方式,具有效率高、功率大的特點。

值得一提的是,LLC架構配合GaN開關元件,還能夠有效降低驅動開銷,降低導通損耗與關斷損耗,提升效率與工作頻率,進一步提升充電器功率密度。

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充電頭網通過往期的近百款氮化鎵快充案例的拆解發現,在百瓦大功率快充產品中,目前已有安森美、NXP等品牌LLC控制器得到廣泛應用;此外,英飛凌、MPS、矽力傑、TI等業界一流芯片廠商均已推出了適用於大功率快充的LLC控制器。

隨着快充功率的提升和二次同步整流降壓轉換器的成熟,為LLC架構快充上的應用創造了有利條件。LLC架構在大功率PD快充上取代了PFC+反激架構,軟開關降低了開關損耗,同時搭配GaN和SiC第三代半導體元件,工作頻率得到大幅提高,可獲得更高的轉換效率和功率密度,逐漸成為大功率快充市場市場的新寵,有望在2021年實現全面普及。

更令人興奮的是,2021年氮化鎵快充將進入數字時代。

蘋果推出氮化鎵快充

據媒體報道,納微半導體將在今年獲得蘋果基於GaN技術的快速充電訂單,台積電將為納微半導體提供GaN芯片。這也就是說,2021年蘋果公司將會推出基於氮化鎵功率器件的大功率USB PD快充,與目前基於硅的充電器相比,該產品體積更小、重量更輕、更高效。

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蘋果向來是科技行業的先行者,其推出的產品經常會成為業界風向標。而這一次蘋果氮化鎵快充會給我們帶來哪些驚喜,從目前已知的信息來看,還很難聯想到具體產品。不過一旦蘋果氮化鎵快充推行市場,勢必對現有的氮化鎵上下游生態帶來重大利好,這其中就包括氮化鎵功率器件、氮化鎵控制器、快充協議芯片、生產製造工廠等。

封裝創新

追求小體積、高密度一直都是氮化鎵快充市場的發展趨勢,不過除了依靠氮化鎵功率器件的性能提升產品功率密度之外,氮化鎵功率器件本身的封裝也呈現出不同的形式。目前市面上量產商用的有納微QFN 5*6、QFN 6*8封裝的小尺寸產品,也有英諾賽科、GaN Systems等廠商推出的散熱性能更好的DFN 8*8封裝產品。

除此之外,隨着眾多廠商陸續入局,TO-252、TO-220、ThinPak 8*8、QFN 9*9等多種封裝形式的氮化鎵功率器件也相繼進入市場。

值得注意的是,在2020(冬季)USB PD&Type-C亞洲展上,氮矽科技展出了其在氮化鎵功率器件的研發方面最新成果,創新性的推出了PDDFN 4×4封裝的650V/160mΩ氮化鎵功率器件,成為業界最小封裝尺寸的氮化鎵功率器件。

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據介紹,這款氮化鎵功率前採用Chip Face Down(芯片焊盤面向下)封裝工藝,與傳統的Wire Bonding(WB焊線)封裝工藝相比,解決了氮化鎵器件襯底散熱慢的問題,同時創新的採用雙面散熱設計,提高器件的散熱性能。

器件最大厚度只有0.6mm,完全滿足電路板與外殼距離限制;4×4的超小面積便於印製板電路設計,從而進一步減小充電頭體積。

平面變壓器普及

平面變壓器是業內一直在嘗試使用的一種新型高頻鐵氧體電感元件。由於平面變壓器造型方正,適合於平面貼裝,方便設計,並可使各類型電子產品實現輕薄小型化。與常規的變壓器相比,平面變壓器除了結構體積上的優勢之外,還具有電流密度高、效率高、漏感低、發熱量小,散熱性好等優點。

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平面磁學是一種多物理量的矢量表現形式,也是學術界一直創新研究的領域。使用平面變壓器是目前高頻高功率密度功率轉換產品中最經濟的解決方案之一。

尤其是在近兩年的消費類電源領域,隨着USB PD快充市場的爆發以及氮化鎵技術的成熟,高效率、高功率、小體積的電源產品成為了市場發展新風向。平面變壓器也逐漸成為備受廣大工程師青睞的器件,並獲得眾多行業標杆企業認可,開始在PD快充、氮化鎵快充產品中大顯身手。

充電器頭網往期拆解數據顯示,目前華為、小米三星OPPOvivo、聯想等眾多一線手機品牌、PC品牌均已經在多款快充電源中導入平面變壓器,並配合開發了多款主流機型的inbox標配充電器,以實現更高的功率密度,讓配件更輕便、易攜帶。

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平面變壓器是三星充電器中的常客,從15W的三星AFC快充開始,就已經大量導入平面變壓器,也開創了平面變壓器在快充上大規模商用的先河,可見三星對平面變壓器情有獨鍾。

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華為也推出了多款內置平面變壓器的超級快充充電器,從最新的66W超級快充拆解可見,內置的平面變壓器只占據了整個PCB板模塊的四分之一不到,非常節省空間,最終讓充電器實現了更加緊湊的設計。

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得益於內部平面變壓器的採用,OPPO 50W餅干氮化鎵快充實現了超薄的機身設計,整機厚度僅10mm,這也是傳統的繞線變壓器根本無法做到的。除了超薄的機身,平面變壓器還幫助這款充電器實現了高達1.48W/cm³的功率密度,並成為高功率密度的標杆。

在行業發展趨勢以及眾多標杆品牌的推動下,平面變壓器開始被越來越多的第三方快充配件企業應用在高密度快充電源產品中,市場需求量也日益增加。

中國企業經過多年的努力,在平面變壓器領域取得了重大的進展,使平面變壓器成本逐步趨於平民化,極具競爭優勢及產業化潛力。

玩家增多

在氮化鎵快充市場不斷發展壯大的過程中,入局的玩家也逐漸增多。比如在最受關注的氮化鎵功率芯片方面,目前僅有5家品牌的氮化鎵芯片正式量產出貨並成功導入了終端產品,其中出貨量最大的三家廠商分別是納微、PI以及英諾賽科。而在充電頭網最新的整理的氮化鎵芯片供應商中,已有十餘家國內外氮化鎵芯片原廠推出了多達數十款氮化鎵芯片。

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從表格中可以看到,全球范圍內已有聚能創芯、東科半導體、氮矽科技、GaNsystems、鎵未來、量芯微、英諾賽科、英飛凌、納微、PI、意法半導體、Transphorm、能華、芯冠科技等14家氮化鎵快充芯片供應商。

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氮化鎵控制器方面,充電頭網通過調研了解到,目前已有11家品牌推出了16款高頻控制器,拓撲架構可分為AFC、QR以及LLC三種類型,滿足了USB PD標准下全功率范圍的產品設計需求。

值得一提的是,國內已有南芯半導、美思迪賽、亞成微、傑華特、必易微、矽力傑等多家電源芯片原廠布局了氮化鎵控制器產品線,並有多款基於國產控制器開發的氮化鎵快充方案幾近量產,極大豐富了快充電源廠商的選型需求。

手機廠商入局氮化鎵

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充電頭網統計數據顯示,2020年已經有10家手機廠商推出了18款氮化鎵快充,華為、小米、OPPO、聯想、魅族、努比亞等主流廠商均位列其中,推出的產品種類也變得非常豐富。而小米、聯想、OPPO、Realme、三星等品牌已經將氮化鎵快充作為手機的標配。氮化鎵快充市場一時間變得熱鬧非凡。

另據可靠消息顯示,蘋果將在2021年推出氮化鎵快充。相信在2021年,手機品牌的氮化鎵快充產品將會進一步增加。

筆電廠商入局氮化鎵

除了手機廠商之外,筆電廠商今年來也陸續進入氮化鎵快充市場,聯想、戴爾、LG等品牌均基於氮化鎵功率器件推出高效的大功率快充配件。這也將成為2021年氮化鎵快充市場的另一大趨勢。

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聯想thinkplus 65W迷你氮化鎵充電器延續了「口紅」造型設計,在氮化鎵的加持下,體積進一步壓縮,而且配備可折疊插腳,小巧方便易於攜帶。USB-C口支持QC2.0、QC3.0和USB PD3.0快充,具備5V3A、9V3A、12V3A、15V3A、20V3.25A和5.00-11.0V/3A電壓檔位,可以輕松滿足手機、平板、筆記本等多種類型設備的快充需求。

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DELL戴爾90W氮化鎵快充充電器基於納微GanFast氮化鎵芯片開發,外觀採用家族典型的扁平機身帶電源線設計風格,額外配有一個USB-A接口。產品支持PD快充,具備5V3A、9V3A、15V3A、20V4.5A四組電壓檔位,支持90W和10W同時輸出,可以同時為筆記本和手機等兩台設備進行充電。

氮化鎵快充十大發展趨勢前瞻

LG近期推出了一款筆記本電腦專用的氮化鎵快充充電器,內置納微半導體GaNFast功率芯片,最大功率為65W。產品整體採用白色風格,並自帶輸出USB-C輸出線纜,支持5V3A、9V3A、15V3A、20V3.25A四組電壓,以滿足不同電壓范圍的產品充電。

成本大幅降低

隨着入局氮化鎵快充市場的玩家不斷增多,實現氮化鎵快充的成本也在逐年下降。比如在GaN功率器件方面,英諾賽科產品應用經理 鄒艷波先生在2020(冬季) USB PD&Type-C亞洲展指出,目前氮化鎵快充的痛點主要表現在成本、產能、生態三個方面。

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為此,英諾賽科配備了全球首條8英寸硅基氮化鎵生產線,並在蘇州建成了全球最大的集研發、設計、外延生產、芯片製造、測試等於一體的第三代半導體全產業鏈研發生產平台,滿產後將實現月產8英寸硅基氮化鎵晶圓65000片,從根本上解決產能帶來的成本問題。

氮化鎵快充十大發展趨勢前瞻

行業分析師預測,氮化鎵功率器件的成本將在2022年與傳統功率器件價格持平,到了2023年將成本更具優勢。

此外,本土電源芯片廠商已在2020年12月完成了氮化鎵快充研發重大突破,三大核心芯片實現全國產,性能達到國際先進水準。並且國產半導體廠商可以充分發揮本土企業的優勢,進一步降低氮化鎵快充的成本,並推動高密度快充電源的普及。

氮化鎵用於PFC電路

目前國內功率在75W以上的開關電源強制要求加入PFC電路以提高功率因數,修正負載特性。在大功率快充普及的趨勢下,PFC電路也成為了百瓦大功率快充產品的必備。

氮化鎵快充十大發展趨勢前瞻

PFC分為被動式和主動式兩種。被動式採用大電感串聯補償,主要缺點是體積大,且效率低。隨着近年來半導體器件迅猛發展,被動式PFC被主動式PFC全面取代。主動式PFC採用PFC控制器、開關管、電感和二極管組成升壓電路,具有體積小,輸入電壓范圍寬,功率因數補償效果好的優點。

為了實現更高的效率,氮化鎵功率器件已經開始在大功率快充產品的PFC電路中嶄露頭角,就充電頭網拆解數據顯示,倍思100W 2A2C氮化鎵快充、倍思 120W氮化鎵快充、MOMAX 100W氮化鎵快充、REMAX 100W氮化鎵快充、尚巡120W氮化鎵充電器等產品均在前端PFC電路中應用了氮化鎵功率器件。

來源:cnBeta