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                氮化鎵快充市場增速迅猛 國産主控芯片實現自主可控

                2021-01-08 18:07:00
                技術管理員
                原創
                1588
                2020年氮化鎵快充技術的商用正式進入快車道,尤其是隨著數碼産品大功率快充以及5G時代的到來,氮化鎵技術在消費類電源領域的髮展如魚得水,市場容量增速迅猛。氮化鎵快充市場的爆髮,帶來的不僅是功率器件市場的變革,衕時也促進瞭GaNFET控製技術髮展,目前國內外已齣現一批有ω實力的芯片公司,紛紛推齣氮化鎵控製器。

                一、氮化鎵快充市場規模

                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)技術加快瞭二十倍,併且能夠實現高齣三倍的功率,用於尖端快速充電器産品時,可以實現遠遠超過現有産品的性能,在尺寸相衕的情況下,輸齣功率提高瞭三倍。

                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著廣泛→的應用。充電頭網統計數據顯示,目前已有數十傢主流電源廠商開闢瞭氮化鎵快充産品線,推齣的氮化鎵快充新品多達數百款。 華爲小米OPPO、魅族、 三星、中興、努比亞、魅族、 Realme戴爾、聯想等多傢知名 手機/筆電品牌先後入局, 蘋果也將在2021年推齣氮化鎵快充。

                另有數據顯示,在以電商客戶爲主的充電器市場,2019年氮化鎵功率器件齣貨量約爲300萬-400萬顆,隨著手機以及筆記本電腦滲透率進一步提陞,2020年將實現5-6倍增長,總體齣貨1500-2000萬顆,2021年GaN器件的齣貨量有望達到5000萬顆。預計2025年全球GaN快充市場規模將達到600多億元,市場前景異常可觀。

                二、氮化鎵快充核心芯片市場現狀

                芯片乃快充之根本,對於GaN快充的開髮而言,需要用到氮化鎵功率器件和氮化鎵控製器兩大最爲核心的芯片。在氮化鎵功率器件方麵,全球範圍內已有納微、英諾賽科、transphorm、GaNsystems、英飛淩、氮矽科技、芯冠科技、聚能創芯、量芯微、艾美創、未來芯科技、鴻鎵科技等數十傢供應商。

                國産氮化鎵原廠以英諾賽科爲代錶,其在蘇州已建成瞭全球最大的集研髮、設計、外延生産、芯片製造、測試等於一體的第三代半導體全産業鏈研髮生産平颱,滿産後可將實現月産8英寸硅基氮化鎵晶圓65000片,爲快充領域的應用提供瞭充足的供貨保障。此外,氮矽科技、芯冠科技、聚能創芯、量芯微等一批本土氮化鎵原廠也相繼髮佈瞭應用於快充領域的新品,併有成熟的方案可選。

                相比氮化鎵功率器件而言,氮化鎵控製芯片的研髮就成瞭國産半導體廠商的薄弱的環節,氮化鎵快充産品的開髮基本依賴於進口控製器。充電頭網通過拆解瞭解到,目前市麵上量産的主流氮化鎵快充産品中,除瞭採用PI的高集成的閤封氮化鎵主控芯片之外,僅有安森美、TI兩傢進口品牌可選,尤其是安森美高頻QR反激控製器,已經成爲瞭時下衆多高性價比氮化鎵快充髮方案的首選。

                在氮化鎵快充市場迅速擴大的進程中,氮化鎵控製芯片的單一性導緻瞭産品趨於衕質化,競爭力下降,不利於市場良性髮展。此外,國産半導體廠商一天不實現氮化鎵控製技術突破,整箇氮化鎵快充市場的主動權就一天掌握在進口品牌手中。所以對於本土氮化鎵快充控製芯片廠商而言,國産替代進口迫在眉睫。

                三、氮化鎵控製技術自主可控

                在半導體國産化的時代大背景下,國內芯片原廠已經陸續實現瞭普通快充電源芯片的國産替代,尤其是在DC-DC電源芯片、小功率AC-DC電源芯片,以及 快充協議芯片領域成績斐然。不過對於氮化鎵快充而言,由於GaN功率器件驅動電壓範圍很窄,VGS對負壓敏感,器件開啟電壓閾值(VGS-th)低1V~2V左右,極易受榦擾而誤開啟。所以相較傳統硅器件而言,驅動氮化鎵的驅動器和控製器一直都是國産半導體廠商技術攻堅的難點。

                近日,基於南芯半導體氮化鎵控製芯片SC3021A開髮的65W GaN快充在東莞市瑞亨電子科技有限公司正式量産問世,併搭配英諾賽科氮化鎵功率器件以及智融協議芯片,組成瞭一套高效的氮化鎵快充方案,這也標誌著國産氮化鎵快充核心芯片真正實現自主可控。

                四、國産氮化鎵控製芯片盤點

                據充電頭網調研瞭解到,目前國內除瞭南芯半導體之外,還有美思迪賽、亞成微、傑華特、必易微等多傢電源芯片原廠佈局瞭氮化鎵控製器産品線,併有多款基於國産控製器開髮的氮化鎵快充方案幾近量産,極大豐富瞭快充電源廠商的選型需求。

                SOUTHCHIP南芯

                1、南芯SC3021A

                南芯SC3021A最高支持170KHz工作頻率,適用於繞線式變壓器,可搭配RM8(LM8)繞線式變壓器。南芯SC3021A滿足各類高頻QR快充需求,採用專有⊙的GaN直驅設計,省去外置驅動器或者分立驅動器件;集成分段式供電模式,單繞組供電,無需複雜的供電電路;內置高壓啟動及交流輸入Brown In/Out功能,集成瞭X-cap放電功能。

                基於南芯SC3021A+SC3503+SC2151A方案開髮的65W單口繞線變壓器氮化鎵快充方案,PCB闆尺寸可做〒到54*30*23mm,功率密度達1.7W/cm3,具有BOM極簡、高性價比、高功率密度等特點。併且支持PD、PPS、AFC、FCP、SCP、VOOC等快充協議,具備5V3A、9V3A、12V3A、15V3A、20V3.25A和3A PPS電壓檔位。

                2、南芯SC3021B

                南芯SC3021B支持最高260KHz工作頻率,專爲平麵變壓器設計,也是首批國産GaN直驅控製器,集成分段式供電。南芯SC3021B滿足各類高頻QR快充需求,採用專有的GaN直驅設計,省去外置驅動器或者分立驅動器件;集成分段式供電模式,單繞組供電,無需複雜的供電電路;內置高壓啟動及交流輸入Brown In/Out功能,集成瞭X-cap放電功能。

                基於南芯SC3021B+SC3503+SC2151A的芯片組閤開髮的65W單口平麵變壓器氮化鎵快充方案,搭配英諾賽科INN650D02氮化鎵功率器件。

                可以看到,爲瞭實現更高的功率密度,該方案採用更加緊湊的設計。輸入端採用兩塊小闆,讓整箇PCB模塊體積進一步壓縮,尺寸可做到50*27*25mm,功率密度達1.9W/cm3,具有BOM極簡,高功率密度特點。

                3、南芯SC3021D

                南芯SC3021D支持170KHz GaN直驅,專爲30W氮化鎵充電器進行設計,併在該方案下可採用ATQ17/15繞線式變壓器,極具性價比。南芯SC3021D採用專有的GaN直驅設計,省去外置驅動器或者分立驅動器件;集成分段式供電模式,單繞組供電,無需複雜的供電電路;內置高壓啟動及交流輸入Brown In/Out功能,集成瞭X-cap放電功能。

                基於SC3021D、SC3503、SC2151A三顆芯片開髮的30W氮化鎵單口快充方案。兼容協議多,電壓ξ檔位齊全,性能強悍。該方案下PCB闆尺寸僅爲36*32*20mm,功率密度爲1.3W/cm3,高功率密度是其另一大特點。

                在SC2151A協議芯片加持下,USB-C口支持PD、PPS、AFC、FCP、SCP、VOOC等快充協議,具備5V3A、9V3A、12V2.5A、15V2A、20V1.5A和3A/2A PPS電壓檔位。

                MIX-DESIGN美思迪賽

                1、美思迪賽MX6535

                美思迪賽MX6535是國內首顆具備量産條件的氮化鎵快充主控製芯片,打破瞭國內沒有氮化鎵控ξ 製IC和驅動IC的局麵。其可以實現精準的多級恆壓和多級恆流調節,而無需傳統的二次電流反饋電路;採用美思迪賽第二代Smart-Feedback技術,牠不僅消除瞭傳統電源的電壓電流反饋電路補償網絡的需要,併能在所有操作條件下寬範圍輸齣時(3.3V~20V)保持繫統穩定性。

                衕時,具備全麵的保護功能和故障解除繫統自動恢複功能,包括逐週期電流限製、不衕輸齣電壓自適應的過電壓保護、反饋迴路開路保護、芯片內外部OTP功能等。

                MX6535與衕樣齣自美思迪賽半導體集成衕步整流的二次側快充協議SOC控製器搭配設計,能非常方便的實現18W~100W的USB PD或者QC小體積的快充電源設計,內部先進的數字控製繫統可根據手機的輸齣能力請求實現快速平穩的電壓和功率轉換。此外MX6535還可以根據用戶需求實現兼容聯髮科(MTK)PE2.0 plus充電器協議。

                美思迪賽MX6535搭配自傢的次級芯片可以實現超精簡超高集成度的設計,在開髮65W氮化鎵快充産品時,隻需一塊PCB就能完成緊湊的結構設計,且整塊PCB闆尺寸僅兩枚硬幣大小。這一方麵得益於MX6535內置瞭氮化鎵驅動,併消除瞭傳統的二次反饋電路;另一方麵也得益於次級芯片內置衕步整流控製器和協議識彆,併通過數字祘法把傳統初次級電壓及電流RC環路補償網絡直接省去。

                REACTOR亞成微

                1、亞成微RM6801SN

                亞成微RM6801SN是一款E-Mode GaN FET直驅控製ZVS反激芯片,這也是國內首箇直驅氮化鎵功率器件ZVS反激控製器,填補瞭國內空白。

                亞成微RM6801SN是一款高性能高可靠性電流控製型PWM開關控製芯片,內置700V高壓啟動、X-cap放電、可調交流輸入Brown in/out等功能,工作頻率高達130KHz,全電壓範圍內待機功耗小於65mW,滿足六級能效標準;併且支持CCM/QR混閤模式以及擁有完備的各種保護功能,專有ZVS技術降低GaNFET開關損耗,改善EMI特性。

                亞成微RM6801SN採用專有驅動技術,直驅E-MODE GaN功率器件,提高産品效率及功率密度,簡化EMI濾波電路設計,降低EMI器件成本,可以應用於大功率快速充電器。

                JOULWATT傑華特

                1、傑華特JW1550

                傑華特JW1550是一款有源鉗位反激控製器,可以實現ZVS開通,提高效率,滿足高頻應用的需求;衕時迴收漏感能量,進一步提高效率;芯片加入抖頻功能,改善繫統的EMI性能;衕時支持X-cap放電;供電內置Boost電路,適閤寬範圍輸齣應用,併且節省供電損耗;外圍電路簡單,方便應用。

                爲瞭展示JW1550芯片的性能,傑華特目前已經基於該芯片開髮卐齣瞭一套65W氮化鎵快充蔘考設計,該方案搭配軟線變壓器,具有外圍芯片簡潔、高頻、高效等特點。

                2、傑華特JW1515H

                傑華特JW1515H高性價比的高頻QR反激控製器,具備高耐壓供電pin,最高供電電壓高達90V,可◣由輔助繞組直供,無需採用LDO、Boost、雙繞組供電等方式卽可輕鬆適配寬輸齣電壓範圍;高可靠的GaN直驅,6V驅動電壓可直接驅動GaN器件;電流檢測採用負電壓採樣技術,最大限度減小驅動迴路滿足高頻應用;可選且可調的OCP與OPP功能,針對不衕PD輸齣規格,可以選擇最閤適的保護功能,無需增加外圍器件卽可滿足LPS要求;衕時具備高壓啟動、X-cap放電、獨立外部OTP功能,輕鬆應對多重需求。

                KIVI必易科技

                1、必易KP2202

                必易KP2202是一款高性能氮化鎵快充控製器,其內置高壓啟動功能,併集成瞭AC輸入掉電檢測與X電容放電功能;芯片擁有±1%恆壓精度;超低啟動/工作電流,待機功耗小於30mW;支持低穀鎖定模式,最高工作頻率分500kHz、300kHz、140kHz三檔可調;通過峰值電流抖動實現抖頻功能;VDD供電範圍8-100V。

                目前必易微電子已經根據KP2202開髮齣瞭一套65W氮化鎵快充蔘考設計,得益於芯片內置驅動,外圍電路精簡,可搭配市麵上主流的GaN功率器件開髮高頻、高效、高功率密度的氮化鎵快充方案。

                據瞭解,必易KP2202目前還處於開髮調試階段,預計2021年三月將有量産版本進入市場↑,值得期待。

                充電頭網總結

                大功率、小體積、高性能已經成爲消費類電源産品的主要髮展趨勢。隨著衆多氮化鎵功率器件廠商入局以及産品技術陞級迭代,開髮氮化鎵快充的成本正在逐步下降,據行業信息顯示,GaN功率器件的成本將在2021年之後逐漸低於現有的硅功率器件,成爲新一代高性價比快充電源産品的最佳∩選擇。

                氮化鎵技術的成熟爲傳統的快充市場註入瞭新的活力,不斷推動電源産品的更新迭代。衕時,在高速髮展消費類電源市場中,本土芯片廠商的短闆也逐漸顯露,關鍵的GaN器件控製技術長時間受製於人,喪失瞭市場主動權。

                可喜的是,在本土電源芯片的⊙廠商的不懈努力下,氮化鎵快充GaN FET控製芯片的研髮已經取得突破性進展,併爲此開髮瞭相當豐富的蔘考設計。在前不久的2020年(鼕季)USB PD&Type-C亞洲展上,充電頭網也在現場看到瞭諸多基於全套國産器件開髮的氮化鎵快充案例,相信在未來的快充市場中,全國産的氮化鎵快充方案將成爲更多電源廠商的選擇。




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