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发力GaN快充市场,英飞凌推出全新一站式解决方案

发布时间:2022-03-10作者来源:萨科微浏览:196


近两年来,基于氮化镓(GaN)的快充产品以其优异的性能在市场上非常的受欢迎,而这背后也离不开上游的GaN器件厂商的努力。不久前,英飞凌也针对快充充电器市场发布了基于GaN的全新的集成功率级(IPS)产品—— CoolGaN IPS 系列,近日英飞凌在深圳召开媒体沟通会,来自英飞凌电源与传感系统事业部的专家分享了充电器市场的发展趋势,并详细解析了其CoolGaN IPS系列产品的特色以及英飞凌的一站式USB Type-C解决方案。


手机快充渗透率快速增长,功率已上到200W


随着智能手机的处理器性能越来越强,再加上5G、高刷新屏的应用,使得智能手机的功耗越来越大,这在电池技术未有重大突破的前提下,对于智能手机的续航带来了非常大的挑战。而为了解决用户对于续航的焦虑,众多的智能手机厂商纷纷推出大功率的快充技术来间接解决这一问题,这也推动了快充市场的快速增长。


根据国金证券的测算,2018年“华米OV”的快充渗透率为52%,2019就提升到了62%。其中 20W~30W 的快充渗透率,2018年为22%,2019年达28%;30W 以上的快充渗透率,2018年仅1%,2019年就快速提升到了11%。对应 2018、2019年手机充电器平均功率为13.8W、17.8W,2019年同比增长29%,其中华为、小米2019年标配充电器平均功率分别为20.6W、22.6W,同比分别增长44%、75%。


自2020年以来,快充充电器的功率进一步加速提升。比如华为Mate40 Pro就配备了66W快充,小米10至尊纪念版手机、iQOO 5 Pro则都配备了高达120W的快充充电器。


功率越高则意味着更短的时间能够充入更多的电量。根据小米实验室数据,100W快充只需要17分钟即可充满4000mAh电池。而老式的5W充电器则需要至少5小时左右才能充满4000mAh电池。


2021年5月25日,USB-IF协会更新了v2.1版本USB Type-C线缆和接口标准。在充电方面,USB PD 3.1快充标准也迎来了重大更新,新增了28V、36V、48V三个拓展输出电压,并将最大输出功率提升至240W。不过从规范来看,无论是充电器、线缆等似乎都需要重新设计,包括支持48V/5A等。



随后,小米已宣布将全球首发200W有线快充以及120W无线快充,并打破了两项手机充电纪录,4000mAh的电池,200W有线8分钟即可充满、120W无线15分钟即可充满。


而手机快充功率能够提高的如此之快,这背后一方面是快充技术标准的提升,另一方面则是得益于三代半导体GaN(氮化镓)器件的成熟。


英飞凌电源与传感系统事业部应用市场经理卢柱强也表示,目前充电器的技术和市场趋势正朝着大功率、体积更小更轻薄、更通用(统一的Type-C接口,一个充电器就能支持全部产品的供电和充电)、更低成本的方向发展。得益于GaN器件在充电功率、效率、体积、发热、总体的系统成本等方面的优势,未来基于GaN的Type-C充电器将成为主流。


GaN器件优势明显,市场潜力巨大


目前快充主要是两种技术路径,一种是主要通过提高电压来达到高电流高功率充电,另一种是通过低电压高电流来实现高速充电,但是不论哪种技术路径,要实现更高的充电功率,都需要用到同步整流MOS管,以提高转换效率,降低发热量。而相对于传统的硅基MOS管来说,GaN mos管可以实现更高开关速度和更高的效率、更低的发热、更小的体积。


资料显示,与常规的硅材料相比,GaN功率器件的性能具有明显优势。


首先,GaN的禁带宽度是硅的3倍,临界击穿电场是硅的十倍,因此同样额定电压的GaN器件的导通电阻比硅器件低1000倍左右,这大大降低了开关的导通损耗,使得GaN器件能够承载更高的能量密度和更高的温度。


其次,GaN器件寄生电容小,电子饱和速度快,具有较高的载流子迁移率,这也使得GaN开关工作频率可比硅器件高数十倍左右。正由于GaN可以工作在高频段,因此可以使得整个电路的开关工作频率可以从原来的几十KHz,提高到几百KHz甚至几MHz。


英飞凌电源与传感系统事业部应用市场经理卢柱强也表示,与传统的硅器件相比,GaN器件的开关频率越高,在充电效率上的优势也就越明显。


而充电效率越高,也意味着功率密度越高。在同等功率下,GaN充电器可以大幅缩小电路中的电容、电感等器件的体积,让产品的体积可以做得更小。不仅可以减少铜等原材料的消耗,降低总体的系统成本,同时散热也能够得到进一步控制。


△碳化硅和氮化镓大概的应用定义和范围区间(横轴是电源的开关频率,纵轴是功率)


根据英飞凌的数据,目前GaN器件在单位功率上已经能够达到硅器件的200%。更大的单位功率能够使得充电器内部能够节省出更多的空间。


比如去年2月小米发布的Type-C接口的65W GaN充电器 ,45 分钟即可为小米10Pro(4500mAh 电池)充电 100%,但体积仅为小米笔记本电脑标配的65W充电器的50%。


总结来说,与传统的硅器件快充相比,GaN充电器具有功率密度大、能量转化效率高、体积小、重量轻、发热小等特点。


随着GaN器件的成熟,基于GaN的充电器市场渗透率正逐渐提升。目前,三星、华为、小米、OPPO、vivo、魅族等厂商都有推出GaN充电器。虽然目前GaN充电器的成本还相对较高,但是随着GaN技术的成熟及相关产品渗透率的提升,单位功率的总拥有成本的优势正越来越明显。


根据中信证券的市场分析,预计2020年全球GaN充电器市场规模为23亿元,2025年将快速上升至638亿元,5年复合增长率高达94%。


发力快充市场,英飞凌推出全新CoolGaN IPS系列产品


作为GaN器件领域的重要供应商,英飞凌早在2018年就推出了GaN解决方案——CoolGaN 600V增强型HEMT和GaN开关管专用驱动IC(GaNEiceDRIVER  IC)。(由于GaN的开关频率非常快,因此驱动IC 很难匹配,因此GaN器件供应商都要提供定制化驱动IC。)


据英飞凌电源与传感系统事业部大中华区副总裁陈志豪介绍,从2018年英飞凌的GaN器件推出之后,就已经有客户量产使用了,其中包含国内跟海外的客户,过去这两三年来,已经有更多的客户批量使用,应用的领域也在不断扩大。


而面对快速增长的快充市场,今年5月,英飞凌推出了全新的集成功率级(IPS)产品 CoolGaN IPS 系列产品,进一步拓展其GaN功率元件组合。


据介绍,此次发布的CoolGaN IPS 系列产品,包括半桥和单通道产品,面向30W-500W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)等。而CoolGaN IPS系列产品的最大特色就是,将GaN开关器件和驱动IC集成在一起,封装在了同一个封装里面。





据卢柱强介绍:“氮化镓的特性是越高频率效果越好,我们也知道氮化镓这一极很容易损坏,频率越高、震荡越大,越容易坏,所以把驱动IC和开关器件集成在一起,放到同一个Package(封装)里面,不仅可以减少外部互相的干扰,提高它的可靠性,同时也更易于给工程师做设计。当然,由于寄生参数的减少,也会有利于频率的提高,外围器件数量减少,然后PCB的面积也会减少。所以从我们的角度来看,一方面利用了氮化镓的高频特性,一方面又可以避免高频下与驱动之间的距离不可控,产生的一些可靠性和设计难度的问题。我们的IPS产品就是基于这么一个背景和理念而来。我们现在提供的封装主要是8*8,后面会有更多的封装给客户选用。”


△英飞凌发布的两款CoolGaN IPS系列产品的内部框图和架构


具体来看,全新推出的CoolGaN IPS系列产品具有以下五大亮点:


1、低至47ns的时延,支持1MH2高频开关,死区控制更准确,半桥控制一致性更好;2、外部可配置驱动RC网络,优化具体线路dv/dt;3、输入端支持各种MCU, DSP或FPGA等3.3 V CMOS PWM;4、无磁芯变压器驱动,气隙隔离更安全,1A/2A驱动能力更强;5、输入/输出级功能绝缘:a.数字控制与功率级之间无噪声耦合。b.上、下管可承受更高的dv/dt及共模噪声干扰。c.无需外加驱动芯片,节省成本。



为了便于客户快速推出基于CoolGaN IPS系列器件的快充充电器产品,英飞凌还特地推出了三款基于CoolGaN IPS系列器件的65W快充充电器参考设计板。



提供一站式GaN USB-C充电解决方案


正如前面所提到的,未来基于GaN的Type-C充电器将成为市场主流。而英飞凌除了提供数年前就已经量产的CoolGaN系列GaN开关管产品,以及最新推出的基于GaN的CoolGaN IPS系列集成功率级产品之外,英飞凌通过其收购的赛普拉斯,可以为客户提供全面的一站式的USB Type-C充电器解决方案。


根据英飞凌公布的数据显示,旗下的赛普拉斯拥有超过15年的USB方案经验以及5年的USB Type-C方案经验,是全球第一大USB控制芯片供应商。截至2020年,赛普拉斯已累计出货27亿颗USB控制器芯片。其中,在近几年兴起的USB Type-C市场,赛普拉斯也已累计出货了超过10亿颗USB Type-C控制器。



作为电源管理IC市场的领头羊,随着英飞凌在去年完成了对于全球第一大USB控制芯片厂商赛普拉斯的收购,也使得英飞凌拥有了一站式的GaN USB Type-C充电解决方案。


目前英飞凌与赛普拉斯的产品组合,已经涵盖了功率级、原边、副边,还有控制器、协议、高压硅MOS、低压硅MOS、氮化镓等,可以满足客户对于大功率、小型化、统一性、通用性、成本优化方案等需求。



值得一提的是,在更高功率需求的市场,同样属于第三代半导体的碳化硅也有着很大的优势。而英飞凌也是目前市场上唯一一家,能提供涵盖硅(Si)、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等材料的全系列功率产品的公司。




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