硅材料制作的功率器件,也被称为第一代半导体,而砷化镓(GaAs)等材料制作的功率器件,则被成为第二代半导体,第二代半导体在高频性能上优于硅器件,通常用于射频应用。

 

氮化镓(GaN)或碳化硅(SiC)器件也被成为第三代半导体,其禁带宽度约是硅器件的3倍,击穿场强约是硅器件的10倍,因而具有更高的耐压能力以及更低的导通压降,转换效率高,也更适应高温工作环境。与硅材料和SiC相比,GaN材料电子饱和漂移速率更高,适合高频率应用场景,因而在电力电子应用中,GaN器件可以在MHz以上频率工作,大大减小了对外围电路中电感器件的要求,从而可以成倍减少设备体积,减少铜等高成本原材料的用量,在开关电源应用上,明显优于硅器件。

 

虽然一直很受关注,但“第三代半导体”技术长期处于概念领先于市场的状况:技术有优势,性能很好,却受限于成本和应用场景,只能在工业、汽车电子和通信等专用市场小规模使用。

 

直到快充技术开始采用氮化镓,第三代半导体才真正出圈,跨入大众可以接触到的消费电子市场。

 

据市场研究机构集邦科技(TrendForce)预测,2025年GaN市场规模将达8.5亿美元,2020-2025年复合成长率(CAGR)将高达78%。其中,GaN前三大应用占比分别为消费性电子(占比60%)、新能源汽车(占比20%)、通讯及数据中心(占比15%)。在GaN功率管价格不断下降(目前已逼近约1美元)及技术方案愈趋成熟的背景下,预计2025年GaN在快充领域的市场渗透率将达到52%。

 

图1:GaN在快充市场渗透率

 

从终端行业数据显示,2019年采用了GaN技术的快速充电器出货量约为300万台,2020年增长五倍,总体出货约1500万台,2021年出货量约为5000万台,与集邦科技的数据大致吻合。因为快充系统需要在手机等设备侧和充电器侧各一颗GaN芯片,所以快充将成为第三代半导体首个过亿出货量的细分市场。

 

从五福一安到突破100瓦,快充技术普及为什么需要GaN?

 

在快充技术普及前,手机充电器标配功率为5W,即充电电压5V,充电电流可以达到1A,因此被戏称为“五福一安”,其中苹果手机标配充电器多年都采用这个标准。

 

由于现在智能手机电池容量常在4000mAh左右,5W充电器需要至少充四五个小时才够用,如此慢的充电速度不能满足用户对手机日常使用充电时间的要求。

 

快速充电的需求催生了快充技术,USB标准组织在2010年推出USB BC1.2充电标准,将充电电流提升至1.5A,从而充电功率达到7.5W,但这之后直到2016年USB电源传输协议USB PD推出之前,USB标准组织再未对USB充电协议进行改进。

 

USB标准组织不作为,商业公司就揽起了责任,美国高通公司在2013年发布QC1.0技术,标志着快充技术正式落地。QC1.0技术将充电电流提升至2A,充电电压维持在5V,因而最高充电功率高达10W。

 

高通QC1.0技术是以提升充电电流的方式来提升充电功率。但由于当时的线材限制,Micro USB 2.0数据线可承载的电流上限为2A,因而高通后续快充协议版本改为提升电压。QC2.0协议将电压由5V改为5V/9V/12V可选,QC3.0将5V到12V之间调节步进设为0.2V,可以设置更灵活的充电电压,并通过支持双通道充电的方式来突破线材2A电流限制,充电功率高达36W。2017年推出的QC4.0兼容USB PD协议,而UCB PD协议推出与USB Type C接口普及,让充电线材突破了2A限制,因而QC4.0支持的功率可高达100W(20V x 5A)。2020年推出的QC5.0,充电功率上限则超过100W。

 

除了高通,中国手机厂商在快充技术发展上也功不可没,甚至比高通的作用还要大。而且,中国手机厂商一开始就选择了不同于高通的路线:低电压大电流。高通主导的高电压小电流模式,对充电线材要求低且兼容性好,但存在充电易发热和效率低的弊端,为安全起见,通常充电器会将输出功率限制在20W以下。

 

低电压大电流模式需要对线材有要求,而且需要改造接口,但好处是充电发热情况良好,效率高,而且可以突破20W限制。2014年,OPPO发布VOOC闪充技术并搭载于Find 7商用,首次将手机充电功率提升22.5W(5V x 4.5A)。此后,其他中国手机厂商快速跟进,快速充电成为中高端手机产品的标配。

 

虽然2014年量产的快速充电器功率超过了20W,但在2019年之前,主流手机快充功率一般不超过60W,主要原因之一即用传统硅功率器件实现大功率便携式充电器成本高、体积大,效率也差强人意。变化始于2018年,该年10月份Anker发布了GaN便携充电器,将GaN正式引入了消费电子领域。这款充电器支持PD快充协议,提供高达27W的输出功率,但是仅比iPhone原装的5W充电器稍大,可以为任天堂Switch或MacBook Pro充电。此后,OPPO发布GaN充电器SuperVOOC 2.0,充电功率为65W,这标志着GaN正式进入出货量规模巨大的手机市场。

 

与传统硅材料相比,基于GaN材料能制造出具有超低导通电阻、高击穿电压、高功率、高开关频率和尺寸小的功率半导体器件,使得基于GaN的器件能够具有更高的能量密度与工作温度,更适合高电压、大电流的工作场景,而且因为GaN器件开关速度更快、导通电阻小,因而能效比更高。

 

使用GaN功率器件制作的充电器,外形尺寸可以比传统的硅基充电器减少30-50%,而整体系统效率可高达95%以上,这意味着在相同尺寸和相同输出功率的情况下,充电器外壳温度将比传统充电器更低。此外,因为GaN更耐高温,充电器可以使用较小的变压器和较小的机械散热器,因此整体重量可减少15-30%。

 

GaN器件引入到手机充电器中,突破了用硅基器件开发大功率充电器时遇到的效率、散热和体积等限制,因而手机厂商纷纷跟进,并开始功率竞赛,65W几乎成为高端手机底线,量产快速充电器功率很快突破100W,有些厂商开始推出120W甚至200W的充电器。

 

要快还要安全

 

锂电池特性活跃,容易起火或爆炸,大功率充电时,自然引发用户对安全的关注。虽然与传统硅器件相比,GaN功率管耐高温、散热性好,因而安全性更高,适合高功率应用场景,但快充的安全性限制,并不在GaN功率管这边。快充的安全风险主要在于电池本身与大功率充电线路上,工程师应该在充电器及手机内部快充模块做好过压、过流与过温保护。

 

例如,由于锂电池对温度非常敏感,高温将会导致锂电池起火或爆炸,因而大功率充电时,为了保证电池安全,通常需要监测充电模块和电池的温度,有些厂商在支持超100W快充的手机中配备十来颗温度传感器,以实时监测充电情况,确保手机在充电时温度不超过40℃,而充电器内也有一到两颗温度传感器,通过数据线将充电器温度实时传递给手机,手机根据充电器温度来实时控制充电功率,以免充电器过热。

 

对于电池及快速充电模块的保护作用,主要看主控芯片。当前国内外厂商在GaN驱动主控芯片上都开发出很多优秀的产品。

 

下面以市场上常见的几款产品来看一下各自特点与保护功能。

 

01、onsemi——NCP1342

 

贸泽电子在售的来自制造商onsemi(安森美)NCP1342,这是一款被多家设备厂商采用的快充主控芯片,可简化高性能离线电源转换器的设计。

 

NCP1342具有集成的有源X2电容器放电功能,可以实现低于30mW的空载功耗。NCP1342具有专属的谷锁闭电路,确保稳定的谷开关。此系统可在低至第6个谷的情况下运行,并转换为频率折回模式以降低开关损耗。随着负载进一步降低,NCP1342进入静音跳过模式来管理功率传递,同时大幅减小噪音。

 

为了确保高频率设计的轻负载性能,NCP1342结合了MPCM以快速降低开关频率。为了帮助确保转换器耐用性,NCP1342实施了若干关键保护功能,如内部欠电压检测、在任何输入电压下保证恒定Pmax的非功耗过功率保护(OPP)、通过专门引脚实现的锁存过电压和NTC就绪高温保护,以及线路去除检测,可在去除交流线路时对X2电容器进行安全放电。

 

图2:NCP1342典型应用电路

 

02、onsemi——NCP13992

 

安森美另一款也在贸泽电子有售的NCP13992,是一款电流模式谐振控制器,其内置600V门极驱动器,简化布局,减少了外部部件数量。在需要PFC前级的应用中,NCP13992可输出驱动信号控制PFC控制器,此功能结合专门的无噪声跳过模式技术进一步提高了整个应用的轻负载能效。

 

NCP13992提供了一整套保护功能,可实现在任何应用中的安全运行。其中包括:过载保护、防止硬开关周期的过电流保护、欠电压检测、开路光耦合器检测、自动停滞时间调节、过电压(OVP)和高温(OTP)保护。因此,此器件可用于笔记本适配器、液晶电视、大功率适配器、电脑电源、工业及医疗应用和照明应用。

 

03、NXP——TEA2016AAT

 

贸泽电子在售的来自制造商NXP,TEA2016AAT是市场上另一款流行主控芯片。TEA2016AAT是一款面向高效谐振电源的数字可配置LLC和PFC组合控制器,同时集成了LLC控制器功能以及DCM和QR模式下工作的PFC控制器。借助TEA2016AAT可以构建出完整的谐振电源,不仅设计简单,所需组件数也很少。

 

TEA2016AAT采用数字架构,基于高速数字内核控制器,在开发过程中可调节LLC和PFC控制器的工作和保护设置,并根据设置值运行,为获得高度可靠的实时性能提供了保障。

 

TEA2016AAT集成X电容放电,正常输出信号指示。芯片采用谷底/零电压开关以减小开关损耗,全负载范围内都保持高转换效率,并且符合新的节能标准,空载输入功率<75mW。同时TEA2016AAT还具有完整全面的保护功能,包括电源欠压保护,过功率保护,内部和外部过热保护,精确的过压保护,过流保护和浪涌保护等保护功能。

 

04、Power Integrations——INN3379C

 

贸泽电子在售的来自制造商Power Integrations的INN3379C则是高集成度代表。

 

INN3379C采用PowiGaN技术,内置PWM控制器、高压MOS、同步整流控制器等,集成度非常高,并且采用数字总线控制调压。PowiGaN是PI公司的氮化镓技术,将氮化镓功率器件合封于主控芯片中,实现将控制器、驱动器、GaN开关、保护和SR控制全部集成于一体,基于PowiGaN的IC在整个负载范围内的效率高达95%,封闭式适配器不需散热片就可实现高达100W输出功率。在提升产品效率、保障稳定性的同时,PowiGaN也大大降低了设备厂商应用的门槛。

 

总结

 

快速充电技术无疑大幅改善了手机续航体验,但手机厂商在充电功率上的“军事竞赛”也带来对保护电路和安全措施的更高要求,只有确保电源安全,提升充电功率才有意义,而充电器主控芯片,是决定一款充电器是否安全易用的关键。

 

该发布文章为独家原创文章,转载请注明来源。对于未经许可的复制和不符合要求的转载我们将保留依法追究法律责任的权利。