氮化镓快充十大发展趋势前瞻!

2021-02-25 14:10:14 44

氮化镓(GaN)是下一代半导体材料,其运行速度比旧的传统硅(Si)技术快20倍,并且可以为尖端的快速充电器产品实现三倍的功率提升,同时可以实现的性能远远超过现有产品。在相同大小的情况下,输出功率增加三倍。

 

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正是由于这些性能优势,GaN在消费快速充电源市场中具有广泛的应用。充电头网的统计数据显示,数十家主流电源制造商已经开辟了氮化镓快速充电产品线,并推出了数百种新型氮化镓快速充电产品。此外,截至2020年,充电头网络还拆除了近一百种GaN快速充电产品,为电源工程师的参考选择提供了丰富的案例参考。

 

可以预见,2021年氮化镓快充将成为继续引领市场发展的风向标。同时,充电头网也整理了一些2021年极有可能出现的前瞻性发展趋势分享给大家。

 

合封成为趋势

 

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为了在产品中实现更加简洁的外围设计,合封氮化镓芯片逐渐成为市场趋势。充电头网通过整理了解到,目前市面上合封氮化镓芯片可分为以下四种类型:

 

控制器+驱动器+GaN:这种方式以老牌电源芯片品牌PI为代表,PowiGaN芯片获众多品牌青睐。其基于InSOP-24D封装,推出了十余款合封主控、氮化镓功率器件、同步整流控制器等的高集成氮化镓芯片,成为了合封氮化镓快充芯片领域的领导者。

 

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此外在本土供应商中,东科半导体率先推出两款合封氮化镓功率器件的主控芯片DKG045Q和DKG065Q, 芯片内部整合了650V/200mΩ E-mode GaN HEMT、逻辑控制器、GaN驱动器、高压启动管等,采用变频QR控制方式,对应的最大输出功率分别为45W和65W。这两款芯片在节约系统成本,加速产品上市方面均有着巨大的优势,并有望在2021年量产。

 

驱动器+GaN:这种合封的氮化镓功率芯片以纳微半导体为主要代表,其为业界首家推出内置驱动氮化镓功率芯片的厂商,凭借精简的外围设计,获得广大工程师及电源厂商青睐,在2020年底,达成芯片出货量突破1300万颗的好成绩

 

驱动器+2*GaN:合封两颗氮化镓功率器件以及驱动器的双管半桥产品,其集成度较传统的氮化镓功率器件更高。这类产品应用于ACF架构,以及LLC架构的氮化镓快充产品中,可以实现更加精简的外围设计。目前纳微半导体、英飞凌、意法半导体等厂商在这类合封氮化镓芯片方面均有布局。

 

驱动器+保护+GaN:纳微半导体近期推出了代氮化镓功率芯片NV6128,集成集成GaN FET、驱动器和逻辑保护器件。将保护电路也加入氮化镓器件中,通过整合开关管和逻辑电路,可得到更低的寄生参数以及更短的响应时间。该芯片可以实现数字输入,功率输出高性能,电源工程师可基于此设计出更快更小更高速的电源。

 

LLC架构普及

 

LLC架构属于双管半桥谐振,采用谐振电感、励磁电感和谐振电容串联,故名LLC。采用零电压开关(ZVS)软开关技术,具有工作频率高、损耗小、效率高、体积小的优点,可提高充电器功率密度。

 

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LLC架构谐振操作可实现全负载范围的软开关,减小开关损耗,从而成为高频和高功率密度设计的理想选择,适合固定电压输出,EMI特性更好。尤其是应用在多口输出的大功率快充电源产品中,LLC架构输出固定电压+二次降压实现多口PD快充的方式,具有效率高、功率大的特点。

 

值得一提的是,LLC架构配合GaN开关元件,还能够有效降低驱动开销,降低导通损耗与关断损耗,提升效率与工作频率,进一步提升充电器功率密度。

 

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充电头网通过往期的近百款氮化镓快充案例的拆解发现,在百瓦大功率快充产品中,目前已有安森美NXP等品牌LLC控制器得到广泛应用;此外,英飞凌MPS、矽力杰、TI等业界一流芯片厂商均已推出了适用于大功率快充的LLC控制器。

 

随着快充功率的提升和二次同步整流降压转换器的成熟,为LLC架构快充上的应用创造了有利条件。LLC架构在大功率PD快充上取代了PFC+反激架构,软开关降低了开关损耗,同时搭配GaN和SiC第三代半导体元件,工作频率得到大幅提高,可获得更高的转换效率和功率密度,逐渐成为大功率快充市场市场的新宠,有望在2021年实现全面普及

 

更令人兴奋的是,2021年氮化镓快充将进入数字时代

 

苹果推出氮化镓快充

 

据媒体报道,纳微半导体将在今年获得苹果基于GaN技术的快速充电订单,台积电将为纳微半导体提供GaN芯片。这也就是说,2021年苹果公司将会推出基于氮化镓功率器件的大功率USB PD快充,与目前基于硅的充电器相比,该产品体积更小、重量更轻、更高效。

 

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苹果向来是科技行业的先行者,其推出的产品经常会成为业界风向标。而这一次苹果氮化镓快充会给我们带来哪些惊喜,从目前已知的信息来看,还很难联想到具体产品。不过一旦苹果氮化镓快充推行市场,势必对现有的氮化镓上下游生态带来重大利好,这其中就包括氮化镓功率器件、氮化镓控制器、快充协议芯片、生产制造工厂等。

 

封装创新

 

追求小体积、高密度一直都是氮化镓快充市场的发展趋势,不过除了依靠氮化镓功率器件的性能提升产品功率密度之外,氮化镓功率器件本身的封装也呈现出不同的形式。目前市面上量产商用的有纳微QFN 5*6、QFN 6*8封装的小尺寸产品,也有英诺赛科、GaN Systems等厂商推出的散热性能更好的DFN 8*8封装产品。

 

除此之外,随着众多厂商陆续入局,TO-252、TO-220、ThinPak 8*8、QFN 9*9等多种封装形式的氮化镓功率器件也相继进入市场。

 

值得注意的是,在2020(冬季)USB PD&Type-C亚洲展上,氮矽科技展出了其在氮化镓功率器件的研发方面最新成果,创新性的推出了PDDFN 4x4封装的650V/160mΩ氮化镓功率器件,成为业界最小封装尺寸的氮化镓功率器件。

 

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据介绍,这款氮化镓功率前采用Chip Face Down(芯片焊盘面向下)封装工艺,与传统的Wire Bonding(WB焊线)封装工艺相比,解决了氮化镓器件衬底散热慢的问题,同时创新的采用双面散热设计,提高器件的散热性能。

 

器件最大厚度只有0.6mm,完全满足电路板与外壳距离限制;4×4的超小面积便于印制板电路设计,从而进一步减小充电头体积。

 

平面变压器普及

 

平面变压器是业内一直在尝试使用的一种新型高频铁氧体电感元件。由于平面变压器造型方正,适合于平面贴装,方便设计,并可使各类型电子产品实现轻薄小型化。与常规的变压器相比,平面变压器除了结构体积上的优势之外,还具有电流密度高、效率高、漏感低、发热量小,散热性好等优点。

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平面磁学是一种多物理量的矢量表现形式,也是学术界一直创新研究的领域。使用平面变压器是目前高频高功率密度功率转换产品中最经济的解决方案之一。

 

尤其是在近两年的消费类电源领域,随着USB PD快充市场的爆发以及氮化镓技术的成熟,高效率、高功率、小体积的电源产品成为了市场发展新风向。平面变压器也逐渐成为备受广大工程师青睐的器件,并获得众多行业标杆企业认可,开始在PD快充、氮化镓快充产品中大显身手。

 

充电器头网往期拆解数据显示,目前华为小米三星OPPOvivo联想等众多一线手机品牌、PC品牌均已经在多款快充电源中导入平面变压器,并配合开发了多款主流机型的inbox标配充电器,以实现更高的功率密度,让配件更轻便、易携带。

 

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平面变压器是三星充电器中的常客,从15W的三星AFC快充开始,就已经大量导入平面变压器,也开创了平面变压器在快充上大规模商用的先河,可见三星对平面变压器情有独钟。

 

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华为也推出了多款内置平面变压器的超级快充充电器,从最新的66W超级快充拆解可见,内置的平面变压器只占据了整个PCB板模块的四分之一不到,非常节省空间,最终让充电器实现了更加紧凑的设计。

 

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得益于内部平面变压器的采用,OPPO 50W饼干氮化镓快充实现了超薄的机身设计,整机厚度仅10mm,这也是传统的绕线变压器根本无法做到的。除了超薄的机身,平面变压器还帮助这款充电器实现了高达1.48W/cm³的功率密度,并成为高功率密度的标杆。

 

在行业发展趋势以及众多标杆品牌的推动下,平面变压器开始被越来越多的第三方快充配件企业应用在高密度快充电源产品中,市场需求量也日益增加。

 

中国企业经过多年的努力,在平面变压器领域取得了重大的进展,使平面变压器成本逐步趋于平民化,极具竞争优势及产业化潜力。

 

玩家增多

 

在氮化镓快充市场不断发展壮大的过程中,入局的玩家也逐渐增多。比如在最受关注的氮化镓功率芯片方面,目前仅有5家品牌的氮化镓芯片正式量产出货并成功导入了终端产品,其中出货量最大的三家厂商分别是纳微、PI以及英诺赛科。而在充电头网最新的整理的氮化镓芯片供应商中,已有十余家国内外氮化镓芯片原厂推出了多达数十款氮化镓芯片。

 

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从表格中可以看到,全球范围内已有聚能创芯、东科半导体、氮矽科技GaNsystems、镓未来、量芯微英诺赛科英飞凌纳微、PI、意法半导体Transphorm、能华、芯冠科技等14家氮化镓快充芯片供应商。

 

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氮化镓控制器方面,充电头网通过调研了解到,目前已有11家品牌推出了16款高频控制器,拓扑架构可分为AFC、QR以及LLC三种类型,满足了USB PD标准下全功率范围的产品设计需求。

 

值得一提的是,国内已有南芯半导美思迪赛亚成微杰华特必易微、矽力杰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。



手机厂商入局氮化镓

 

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充电头网统计数据显示,2020年已经有10家手机厂商推出了18款氮化镓快充,华为、小米、OPPO、联想、魅族、努比亚等主流厂商均位列其中,推出的产品种类也变得非常丰富。而小米、联想、OPPO、realme、三星等品牌已经将氮化镓快充作为手机的标配。氮化镓快充市场一时间变得热闹非凡。

 

另据可靠消息显示,苹果将在2021年推出氮化镓快充。相信在2021年,手机品牌的氮化镓快充产品将会进一步增加。

 

笔电厂商入局氮化镓

 

除了手机厂商之外,笔电厂商今年来也陆续进入氮化镓快充市场,联想、戴尔、LG等品牌均基于氮化镓功率器件推出高效的大功率快充配件。这也将成为2021年氮化镓快充市场的另一大趋势。

 

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联想thinkplus 65W迷你氮化镓充电器延续了“口红”造型设计,在氮化镓的加持下,体积进一步压缩,而且配备可折叠插脚,小巧方便易于携带。USB-C口支持QC2.0、QC3.0和USB PD3.0快充,具备5V3A、9V3A、12V3A、15V3A、20V3.25A和5.00-11.0V/3A电压档位,可以轻松满足手机、平板、笔记本等多种类型设备的快充需求。

 

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DELL戴尔90W氮化镓快充充电器基于纳微GanFast氮化镓芯片开发,外观采用家族典型的扁平机身带电源线设计风格,额外配有一个USB-A接口。产品支持PD快充,具备5V3A、9V3A、15V3A、20V4.5A四组电压档位,支持90W和10W同时输出,可以同时为笔记本和手机等两台设备进行充电。

 

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LG近期推出了一款笔记本电脑专用的氮化镓快充充电器,内置纳微半导体GaNFast功率芯片,最大功率为65W。产品整体采用白色风格,并自带输出USB-C输出线缆,支持5V3A、9V3A、15V3A、20V3.25A四组电压,以满足不同电压范围的产品充电。


成本大幅降低

 

随着入局氮化镓快充市场的玩家不断增多,实现氮化镓快充的成本也在逐年下降。比如在GaN功率器件方面,英诺赛科产品应用经理 邹艳波先生在2020(冬季) USB PD&Type-C亚洲展指出,目前氮化镓快充的痛点主要表现在成本、产能、生态三个方面。

 

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为此,英诺赛科配备了全球首条8英寸硅基氮化镓生产线,并在苏州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,满产后将实现月产8英寸硅基氮化镓晶圆65000片,从根本上解决产能带来的成本问题。

 

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行业分析师预测,氮化镓功率器件的成本将在2022年与传统功率器件价格持平,到了2023年将成本更具优势。

 

此外,本土电源芯片厂商已在2020年12月完成了氮化镓快充研发重大突破,三大核心芯片实现全国产,性能达到国际先进水准。并且国产半导体厂商可以充分发挥本土企业的优势,进一步降低氮化镓快充的成本,并推动高密度快充电源的普及。

 

氮化镓用于PFC电路

 

目前国内功率在75W以上的开关电源强制要求加入PFC电路以提高功率因数,修正负载特性。在大功率快充普及的趋势下,PFC电路也成为了百瓦大功率快充产品的必备。

 

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PFC分为被动和主动两种类型。无源型采用大电感串联补偿,主要缺点是尺寸大,效率低。近年来,随着半导体器件的飞速发展,无源PFC已完全被有源PFC取代。有源PFC采用PFC控制器,开关管,电感和二极管组成升压电路,具有体积小,输入电压范围宽,功率因数补偿效果好等优点。

 

为了实现更高的效率,GaN功率器件已经开始出现在大功率快速充电产品的PFC电路中。根据充电头网络的拆解数据,Baseus 100W 2A2C GaN快速充电,Baseus 120W氮化镓快速充电,MOMAX 100W氮化镓快速充电,MOMAX 100W氮化镓快速充电充电器,REMAX 100W氮化镓快速充电,尚迅120W镓氮化物充电器和其他产品已将氮化物应用于前端PFC电路镓功率器件。


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