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中国工程师最喜欢的10大充电器氮化镓芯片

时间:2021-06-02 作者:顾正书 阅读:
以快充充电器为主打先锋的便携式消费类电源产品已经成为GaN市场的主要驱动力,PI和纳微等GaN器件开发商也迎来了快速增长。ASPENCORE《电子工程专辑》分析师团队从国内外众多GaN器件厂商中挑选10家公司的主打产品,为电源设计工程师朋友提供选型参考,大家可以在文末通过投票评选出最喜欢的GaN器件。
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氮化镓(GaN)是一种具有高功率密度的宽禁带半导体材料,基于这种新型第三代半导体材料能制造出具有超低导通电阻、高击穿电压、高功率、高开关频率和小尺寸的功率半导体器件。随着GaN技术的发展和制造工艺的逐渐成熟,GaN器件在性能和价格上相对于硅功率器件的优势越来越明显,在消费类电源、工业电源、数据中心服务器电源,以及新能源汽车领域都有着巨大的发展潜力。

以快充充电器为主打先锋的便携式消费类电源产品已经成为GaN市场的主要驱动力,PI和纳微等GaN器件开发商也迎来了快速增长。ASPENCORE《电子工程专辑》分析师团队从国内外众多GaN器件厂商中挑选10家公司的主打产品,为电源设计工程师朋友提供选型参考,大家可以在文末通过投票评选出最喜欢的GaN器件。

GaN市场、技术和供应链趋势

Yole最新发布的《2021年GaN市场:外延片、器件、应用和技术趋势报告》统计数据显示,2020年GaN市场相对2019年翻了一番(从2070万增长到4600万美元)。预计到2026年,GaN市场将达到 11 亿美元,其中消费类应用将占GaN市场总量的61%,增长至约6.72亿美元,复合年增长率为69%;汽车细分市场将以185%的复合年增长率增长至约 1.55 亿美元。

图一:2020年GaN市场相对2019年翻了一番,PI和纳微占据市场主导地位。(来源:Yole)

在消费电源市场,由于小米、联想、三星、戴尔和LG等多家公司竞相发布基于GaN技术的充电器产品,GaN在2020年取得了巨大成功。苹果也即将以30W GaN充电器入局氮化镓快充市场,势必进一步推动GaN市场的增长。Yole 预计,消费类电源市场将成为GaN的主要驱动力。

图二:GaN市场从2020年到2026年复合增长率高达70%。(来源:Yole)

继Oppo于2019年底在其Reno Ace旗舰机型的65W快速充电器中采用GaN器件之后,多家手机厂商和充电器供应商都在2020年发布了快充GaN方案设计。GaN在智能手机市场的火爆主要得益于手机对紧凑性、高效率和适配器多功能性需求的推动,快充有望成为GaN功率器件的“杀手级应用”。到目前为止,至少有10家智能手机厂商推出了超过18 款配备氮化镓充电器的手机。随着苹果、小米和三星等手机厂商选择开箱即用的GaN充电器解决方案,这种增长也将在手机配件售后市场继续。图三:GaN功率器件的未来发展线路。(来源:Yole)

伴随着手机快充市场的火爆,PI和纳微(Navitas)成为这一市场趋势的主要受益者,两家公司的2020年GaN市场份额合计超过50%。越来越多的新参与者携硅基GaN E-mode技术进入这一市场,比如国产厂商氮矽科技。

增强型(E-mode)GaN HEMT具有无体二极管、零反向恢复电荷以及高开关频率(>10MHz)的优点。但由于异质结构带来的热和晶格失配,氮化镓器件的动态参数存在“漂移”问题,下图为氮化镓器件Rdson在ZVS以及HSW信号下随电压变换的测试数据:

图四:氮化镓器件Rdson在ZVS和HSW信号下随电压变换的测试数据。(来源:氮矽科技)

由上图可看出,氮化镓器件Rdson在动态开关动作下会随着电压“漂移”。对比国外公司的同类氮化镓器件,氮矽科技开发的GaN HEMT在ZVS模式下表现突出,漂移率稳定在10%左右,而在HSW模式下亦控制在40%以下,这意味在使用同等Rdson器件的条件下发热表现会更优,更易通过全球安规标准审核。

硅基GaN被认为是未来几年扩大GaN制造产能的主要平台。然而,对于更大的晶片尺寸,外延片仍然存在一些挑战。为提高GaN器件制造能力和进一步降低成本,业界在GaN外延片和晶圆厂层面进行了一些显着投资。意法半导体通过与台积电合作以及收购 Exagan的多数股权,巩固了其在氮化镓市场的地位和产品组合;德州仪器 (TI) 和 GaN Systems最近对其 GaN 器件进行了汽车应用认证;EPC、Transphorm 和英飞凌都在抓紧往各自擅长的应用领域渗透。

Yole 预测,从2025到2030年,电信和数据中心、新能源汽车,以及工业应用将成为GaN 器件的主要驱动力。

氮化镓快充市场增长快速

USB PD快充的普及与氮化镓技术的成熟加速了消费类电源的更新换代。据相关统计数据显示,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。随着手机和笔记本电脑渗透率进一步提升,2020年实现了5-6倍的增长,总体出货达1500-2000万颗。预计2021年GaN器件的出货量将达到5000万颗,2025年全球GaN快充市场规模将达到600亿元。

氮化镓快充产品种类繁多:功率等级从30W到240W不等,还有单口和多口输出供选择。充电器形状、体积和外观各异,其中联想口红头系列、OPPO饼干超闪充、小米33W超小方形头等深受消费者喜爱。2021年,因苹果取消附送充电器,各充电器厂商纷纷推出30W系列快充,以抢占苹果快充市场。

比如,小米这款33W(AG33G)氮化镓快充体积31cm3、功率密度高达1.05W/cm3,是目前市场上体积最小的氮化镓快充产品之一。

2020年部分氮化镓快充头的价格统计如下表所示。功率越低快充头输出口越少,功率越高快充头输出口越多;一般低功率充电头的价格低于高功率的价格。

2020年氮化镓快充头价格表

影响氮化镓快充头价格的主要因素包括:品牌、外观和实用性。氮化镓快充市场将继续朝着体积小、功率密度大、效率高、价格低的方向发展。

工程师最喜欢的Top 10 GaN芯片

下面详细列出10家氮化镓器件开发商的10款GaN器件性能参数和功能特性,阅读完请在文末投票,选择你最喜欢的GaN芯片型号和厂商。

矽科技DX6510CDX6510D

DX6510D是氮矽科技于2020年11月推出的一款小型650V/160mΩ E-mode GaN HEMT器件(PDDFN4x4),采用全新自研板级封装(PDDFN)、双面散热,其散热能力远超同尺寸DFN。此外,该公司还推出了多款量产级E-mode GaN HEMT并搭配DFN5x6、DFN8x8等多种封装,以满足客户各种需求。

氮矽科技还开发了多款USB PD快充参考方案:单口至多口,65W至120W各种功率等级供客户选择。下图所示为氮矽科技标准65W 2C1A口红头展示方案:

该方案采用Flyback QR拓扑,尺寸为64.5x32x 28.2(mm),功率密度达到1.12W/cm3,与目前市场所售新型口红头式氮化镓PD快充体积相当。它搭载了氮矽科技DX6510C(160mΩ,DFN5x6)芯片,初次级控制采用南芯SC3022和SC3503芯片,做到了全国产化。此外,其AC-DC部分SMD元件无0402封装,更易生产,直通率更高,同时DIP元件无特殊加工,更易生产和维修。

由于氮矽科技的芯片动态Ron漂移不明显,在GaN器件上此方案温度表现出色,在220V条件下AC-DC满载转换效率上可以达到94%。在搭载全国产芯片的前提下,此方案在EMI/EMC方面表现依然良好,留有超过10dB余量。

下图所示为氮矽科技为满足客户出口产品全球安规标准所量身定制的65W 1C1A方块头设计Demo:

此demo在保证EMI/EMC以及进一步提高功率密度到1.16W/cm3的同时,重新设计了散热结构,使整机达到了全球安规认可水平。该设计方案的体积为49X47X24.2mm,做到了过全球安规认证的65W氮化镓快充最小体积。

USB-IF协会近期公布了全新USB-C 240W PD标准,新标准可以为高性能笔记本或其他设备提供更高功率,氮化镓在PD高功率端的应用也将迎来质的飞跃。氮矽科技为此量身打造了一款120W 2C1A产品,如下图:

此产品在PFC端采用一颗DX6510D和一颗SiC SBD,控制方面使用安森美NCP1616作为PFC控制器,在LLC端采用两颗DX6510D以及安森美NCP13992。值得注意的是,在高频条件下,氮化镓器件阈值电压Vth也存在不稳定漂移的现象,而由此导致的MOS管误开启对LLC拓扑是致命的。为此该设计方案在桥臂MOS栅极前端采用了自主研发的强拉断电路,不仅保证了产品安全,同时对比采用负压关断有更高的效率和更优的温度表现。

英飞凌600V CoolGaN半桥式IPS IGI60F1414A1L

英飞凌新推出的集成式功率级(IPS)产品CoolGaN IPS系列成为旗下众多WBG功率元件组合的最新产品。IPS基本的产品组合包括半桥和单通道产品,目标市场为低功率至中功率的应用,例如充电器、适配器以及其他开关电源(SMPS)。

该系列的代表产品600V CoolGaN半桥式IPS IGI60F1414A1L适合低功率至中功率范围、小型轻量化的设计应用。外观为8x8 QFN-28封装型式,针对散热效能进行强化,可为系统提供极高的功率密度。此产品包含两个140mΩ/600V CoolGaN增强型(e-mode)HEMT开关,以及英飞凌EiceDRIVER系列中的电气隔离专用高低侧栅极驱动器。

隔离栅极驱动器拥有两个数字PWM输入,让IGI60F1414A1L更易于控制。为了达到缩短开发时间、减少系统物料清单项目和降低总成本等目标,利用集成隔离功能、明确分隔数字和电源接地以及简化PCB配置等,皆是不可或缺的要素。栅极驱动器采用英飞凌的单芯片无磁芯变压器(CT)技术,将输入与输出有效隔离。即便在电压上升或下降速率超过150V/ns的超快速切换瞬时下,仍可确保高速特性和杰出的稳定性。

IGI60F1414A1L的切换特性可以简易地根据不同的应用借由一些栅极路径的被动元件诸如阻容器件实现。例如,此特性可使电流或电压速率优化,以降低电磁干扰(EMI)效应、稳态栅极电流调整和负栅极电压驱动,在硬切换开关应用中稳定运行。

此外,系统级封装集成和栅极驱动器具备的高精度和稳定的传输延迟,可让IGI60F1414A1L提供最低的系统死区时间。这将有助于系统效率极大化,使充电器和适配器解决方案的功率密度提升至更高水平,达到35W/in³。灵活、简单及快速的设计特色,也适用于如LLC谐振拓扑结构、马达驱动器等其他应用。

青岛聚能创芯CGL65R190B和CGL65R150B

赛微电子旗下公司聚能创芯的GaN功率器件包括增强型GaN功率器件、级联型GaN功率器件,以及GaN功率集成电路。其中,650V增强型GaN功率器件系列覆盖10-30 A不同输出电流,适合PD快充、智能家电、基站和服务器等终端应用。CGL65R190B和CGL65R150B两款产品在65-120 W PD快充领域得到了良好的市场反响。

CGL65R190B是增强型硅基氮化镓功率晶体管,具有高电压击穿和高开关频率。由于RDS(ON) 和 Qg都很低,其传导和开关功率损耗都可以做到很低,从而提供比硅功率晶体管更高的效率。

其功能特性包括:超快切换;无反向恢复充电;可反向导通;低栅极电荷,低输出电荷;符合 JEDEC 标准级应用的要求。

意法半导体MasterGaN1

意法半导体(ST)有三款MasterGaN器件,其内部集成了两颗GaN开关管及驱动器,组成半桥器件,采用先进的系统级功率封装,可输入逻辑电压信号轻松控制器件。ST MasterGaN系列均为半桥器件,内置650V耐压的增强型氮化镓开关管,支持工作温度范围为-40°C至125°C。

MASTERGAN1内部集成半桥驱动器和两颗耐压650V、导阻150mΩ的高压GaN开关管,集成在9*9*1mm的QFN封装内。对称半桥、工作电流10A、低侧和高侧均具有欠压关闭保护。驱动器内置自举二极管,具有互锁功能,且具有准确的内部定时匹配。配置有独立的关断引脚,具有滞回和下拉的3.3-15V输入信号。外围元器件精简,具有非常紧凑和简便的布局,可实现灵活快捷的设计。

MASTERGAN1在上下驱动部分均具有UVLO保护,可防止电源开关在低效率或危险条件下运行,并且互锁功能可避免交叉传导情况。输入引脚的扩展范围可与微控制器、DSP单元或霍尔效应传感器轻松连接。

苏州量芯微GaNPower 650V氮化镓功率器件

量芯微的650V增强型氮化镓功率器件及集成驱动氮化镓功率IC适用于45W到300W的各种快充适配器,可提供DFN5x6和DFN8x8 封装。

该公司提供多种适配器解决方案,包括65W单C口,1C+1A口;120W 2C+1A口;150W到220W适配器等。拓扑结构包括传统的QR准谐振,以及自主创新的65W/120W数字LLC技术,能最大化功率密度并提升效率。

GaN Systems GS-065-011-1-L 氮化镓晶体管

GaN Systems(氮化镓系统)公司最新发布的100W双USB-C智能PD 氮化镓充电器可以支持从单口100W设备,到支持两口65W和30W设备或两口45W或30W设备,从而适时地为各种插入设备功率级别组合供电。此外,当功率低于某个阈值时,该充电器方案会切换到更高效率的模式,以进一步提高性能并减少自身损耗。

100W充电器参考设计使用该公司的 GS-065-011-1-L 氮化镓晶体管,这是一种增强型硅基氮化镓功率晶体管。GaN具有高电流、高电压击穿和高开关频率等特点。它是一款底部冷却晶体管,采用 5×6 毫米 PDFN 封装,可提供低结壳热阻。这些特性结合起来可以提供非常高效率的电源开关。

GS-065-011-1-L具有以下性能和特性:超高功率密度:> 16W/in3;带有外壳和可折叠输入插脚;灵活智能的配电:双USB-C端口支持通用USB-C协议和灵活的插入式终端设备;峰值效率:>92.5%;符合安全IEC62368-1触摸温度要求;带功率因数校正(PFC)电路并满足IEC61000-3-2的电力线谐波要求。

英诺赛科InnoGaN系列INN650DA04

英诺赛科InnoGaN系列第二代新品INN650DA04具备高频高效、极低损耗、快速主动散热等特点,采用DFN5*6封装。基于InoGaN技术,英诺赛科发布了30W快充方案。与传统方案相比,其方案功率密度提高一倍,最大效率可提升9%左右,损耗更小,体积更小,性价比更高。

英诺赛科30W氮化镓快充方案无论是在90ac、115Vac输入还是230Vac、264Vac输入,其效率均在92%以上。方案采用如下芯片:INN650DA04(GaN)+ SC3021(直驱GaN IC)+ SC3503(同步整流),以及HUSB339(协议)。

英诺赛科拥有8英寸增强型硅基氮化镓功率器件量产线及先进的研发品控分析能力,InnoGaN系列的整体性能、成本、产能均可以得到很好的把控。

纳微GaNFast NV6125

纳微GaNFast NV6125是该公司流行的NV6115功率器件的热增强型号,专门针对高频和软开关拓扑进行了优化。NV6125内置驱动器,175mΩ导阻,耐压650V,支持2MHz开关频率,适用于升压、降压、半桥、全桥开关电源等诸多应用场合。目前采用该芯片的充电器设计有联想thinkplus 65W氮化镓口红电源Pro、联想90W闪充双口氮化镓充电器、thinkplus 65W氮化镓快充、鸿达顺65W 2C1A氮化镓快充等多款产品。

NV6125具有如下功能特性:大型散热垫;使用CS电阻器时增强散热;单片集成栅极驱动;宽 VCC 范围(10 至 30 V);可编程开启 dV/dt;200 V/ns dV/dt 抗扰度;800 V 瞬态电压额定值;650 V 连续额定电压;低 175 mΩ 电阻;零反向恢复充电;ESD 保护 – 2,000 V (HBM)、1,000 V (CDM);2 MHz工作频率。

NV6125可支持:交流-直流、直流-直流、直流-交流转换;降压、升压、半桥、全桥;有源钳位反激、LLC 谐振、D类、准谐振反激等拓扑。其应用领域包括:移动快速充电器、适配器、笔记本适配器、LED 照明、太阳能微型逆变器、电视/显示器、无线电源、服务器、电信和网络SMPS等。

安徽东科半导体DKG045Q和DKG065Q

东科半导体推出了两款合封氮化镓功率器件的电源主控芯片DKG045Q和DKG065Q,分别适用于45W氮化镓快充和65W氮化镓快充,从而实现高集成、小体积的快充电源设计。

东科DKG045Q内部集成了650V/200mΩ导阻的GaN HEMT、逻辑控制器、GaN驱动器和高压启动管,采用反激方式,DFN5x6mm封装,输出功率45W,最高工作频率150KHz。

相比传统控制器+驱动器+GaN的电路,采用东科DKG045Q只需要一颗芯片即可完成原有三颗芯片才能完成的功能,电源系统设计更加简洁化。同时东科DKG045Q还具有多种操作模式,可以降低待机功耗,提高轻载效率,并且芯片还内置完善的保护功能,增加系统可靠性。

东科DKG065Q采用QFN8*8封装,内部集成来自英诺赛科的650V/130mΩ导阻的GaN HEMT、逻辑控制器、GaN驱动器和高压启动管,采用反激架构,支持最大65W的输出功率,最高工作频率140KHz。

PI InnoSwitch3-Pro

PI新推出了多款超小型20W-30W USB PD快充电源参考设计。这些参考设计均采用InnoSwitch3-Pro芯片,其AC-DC转换效率比一般分立元件高出2-3%。该芯片内部集成了PWM主控芯片、650V功率器件、同步整流控制器等主要功能,电源设计工程师只需要搭配一些必要的被动元器件和协议芯片,即可完成高性能快充产品的设计,从而加速产品上市周期并节约开发成本。

InnoSwitch3-Pro系列芯片内置SenseFET无损检测电路,相比传统分立器件的原边检测能够降低损耗,提升效率。同时为了让每个器件达到最佳的性能,该芯片还集成了FluxLink技术,可以实现初级和次级的实时通信。通过次级控制器控制原边的开关,最大程度的控制同步整流MOS导通时间,实现最高效率。

InnoSwitch3-Pro系列IC可极大简化全数控高效率电源的开发,尤其是那些采用紧凑外壳的电源。通用的I2C可实现输出电压及电流的动态控制,并且提供其他可动态设定的保护功能。遥测技术可提供可设定功能和故障模式的报告。

InnoSwitch3-Pro器件适合输出电压及电流需要精确(10 mV, 50 mA)调整的AC/DC电源应用。其典型的实现方案包括一个系统微处理器或专用微处理器,其I2C端口可用于配置、控制和监测电源子系统的运行情况。uVCC引脚在独立方案(如USB PD适配器或充电器)中为微处理器提供偏置供电。

InnoSwitch3-Pro功能特性如下:通过I2C接口实现数控;动态调整电源电压及电流;通过处理器中断实现遥测状态回读;可实现对各种功能的设定;PowiGaN 技术;高达100 W输出,无需散热片;INN3378,INN3379和INN3370高度集成,外形紧凑;多模式准谐振(QR)/CCM反激式控制器、高压开关、次级侧检测和同步整流驱动器;可在所有输入电压及负载下实现效率的优化;反馈方式采用内部集成的FluxLink™技术,且满足HIPOT(高压绝缘)要求;即时快速的动态响应;可驱动低成本的N沟道FET串联负载开关;集成了3.6 V电源,用于为外部微控制器(MCU)供电;4.7 Ω SR下拉电阻 (仅限 H302 器件);在输入电压检测和MCU工作的情况下空载功耗低于30 mW。

该芯片适合如下应用:高效率USB PD 3.0 + PPS/QC适配器;多协议适配器,包括QuickCharge、AFC、FCP、SCP;直充移动设备充电器;多化学类型工具充电器和通用电池充电器;可调恒压及恒流LED镇流器设计。

请在底部投票评选出您最喜欢的充电器氮化镓(GaN)功率器件

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顾正书
电子工程专辑(EETimes China)主分析师。以深圳为坐标原点,扫描全球电子和半导体行业。专注于China Fabless和SoC设计细分市场的分析和学习,欢迎交流。
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