充電頭網 發表於 2021-01-08 16:06:29
2020年氮化鎵快充技術的商用正式進入快車道，尤其是隨著數碼產品大功率快充以及5G時代的到來，氮化鎵技術在消費類電源領域的發展如魚得水，市場容量增速迅猛。氮化鎵快充市場的爆發，帶來的不僅是功率器件市場的變革，同時也促進了GaNFET控制技術發展，目前國內外已出現一批有實力的晶片公司，紛紛推出氮化鎵控制器。
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矽（Si）技術加快了二十倍，並且能夠實現高出三倍的功率，用於尖端快速充電器產品時，可以實現遠遠超過現有產品的性能，在尺寸相同的情況下，輸出功率提高了三倍。
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，目前已有數十家主流電源廠商開闢了氮化鎵快充產品線，推出的氮化鎵快充新品多達數百款。華為、小米、OPPO、魅族、三星、中興、努比亞、魅族、Realme、戴爾、聯想等多家知名手機/筆電品牌先後入局，蘋果也將在2021年推出氮化鎵快充。
另有數據顯示，在以電商客戶為主的充電器市場，2019年氮化鎵功率器件出貨量約為300萬-400萬顆，隨著手機以及筆記本電腦滲透率進一步提升，2020年將實現5-6倍增長，總體出貨1500-2000萬顆，2021年GaN器件的出貨量有望達到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、氮化鎵快充核心晶片市場現狀
晶片乃快充之根本，對於GaN快充的開發而言，需要用到氮化鎵功率器件和氮化鎵控制器兩大最為核心的晶片。在氮化鎵功率器件方面，全球範圍內已有納微、英諾賽科、transphorm、GaNsystems、英飛凌、氮矽科技、芯冠科技、聚能創芯、量芯微、艾美創、未來芯科技、鴻鎵科技等數十家供應商。
國產氮化鎵原廠以英諾賽科為代表，其在蘇州已建成了全球最大的集研發、設計、外延生產、晶片製造、測試等於一體的第三代半導體全產業鏈研發生產平臺，滿產後可將實現月產8英寸矽基氮化鎵晶圓65000片，為快充領域的應用提供了充足的供貨保障。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發布了應用於快充領域的新品，並有成熟的方案可選。
相比氮化鎵功率器件而言，氮化鎵控制晶片的研發就成了國產半導體廠商的薄弱的環節，氮化鎵快充產品的開發基本依賴於進口控制器。充電頭網通過拆解了解到，目前市面上量產的主流氮化鎵快充產品中，除了採用PI的高集成的合封氮化鎵主控晶片之外，僅有安森美、TI兩家進口品牌可選，尤其是安森美高頻QR反激控制器，已經成為了時下眾多高性價比氮化鎵快充發方案的首選。
在氮化鎵快充市場迅速擴大的進程中，氮化鎵控制晶片的單一性導致了產品趨於同質化，競爭力下降，不利於市場良性發展。此外，國產半導體廠商一天不實現氮化鎵控制技術突破，整個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制晶片廠商而言，國產替代進口迫在眉睫。
三、氮化鎵控制技術自主可控
在半導體國產化的時代大背景下，國內晶片原廠已經陸續實現了普通快充電源晶片的國產替代，尤其是在DC-DC電源晶片、小功率AC-DC電源晶片，以及快充協議晶片領域成績斐然。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，極易受幹擾而誤開啟。所以相較傳統矽器件而言，驅動氮化鎵的驅動器和控制器一直都是國產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制晶片SC3021A開發的65W GaN快充在東莞市瑞亨電子科技有限公司正式量產問世，並搭配英諾賽科氮化鎵功率器件以及智融協議晶片，組成了一套高效的氮化鎵快充方案，這也標誌著國產氮化鎵快充核心晶片真正實現自主可控。
四、國產氮化鎵控制晶片盤點
據充電頭網調研了解到，目前國內除了南芯半導體之外，還有美思迪賽、亞成微、傑華特、必易微等多家電源晶片原廠布局了氮化鎵控制器產品線，並有多款基於國產控制器開發的氮化鎵快充方案幾近量產，極大豐富了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，集成了X-cap放電功能。
基於南芯SC3021A+SC3503+SC2151A方案開發的65W單口繞線變壓器氮化鎵快充方案，PCB板尺寸可做到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。並且支持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，專為平面變壓器設計，也是首批國產GaN直驅控制器，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，集成了X-cap放電功能。
基於南芯SC3021B+SC3503+SC2151A的晶片組合開發的65W單口平面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，為了實現更高的功率密度，該方案採用更加緊湊的設計。輸入端採用兩塊小板，讓整個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，專為30W氮化鎵充電器進行設計，並在該方案下可採用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，集成了X-cap放電功能。
基於SC3021D、SC3503、SC2151A三顆晶片開發的30W氮化鎵單口快充方案。兼容協議多，電壓檔位齊全，性能強悍。該方案下PCB板尺寸僅為36*32*20mm，功率密度為1.3W/cm³，高功率密度是其另一大特點。
在SC2151A協議晶片加持下，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是國內首顆具備量產條件的氮化鎵快充主控制晶片，打破了國內沒有氮化鎵控制IC和驅動IC的局面。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，它不僅消除了傳統電源的電壓電流反饋電路補償網絡的需要，並能在所有操作條件下寬範圍輸出時（3.3V~20V）保持系統穩定性。
同時，具備全面的保護功能和故障解除系統自動恢復功能，包括逐周期電流限制、不同輸出電壓自適應的過電壓保護、反饋迴路開路保護、晶片內外部OTP功能等。
MX6535與同樣出自美思迪賽半導體集成同步整流的二次側快充協議SOC控制器搭配設計，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，內部先進的數字控制系統可根據手機的輸出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發科（MTK）PE2.0 plus充電器協議。
美思迪賽MX6535搭配自家的次級晶片可以實現超精簡超高集成度的設計，在開發65W氮化鎵快充產品時，只需一塊PCB就能完成緊湊的結構設計，且整塊PCB板尺寸僅兩枚硬幣大小。這一方面得益於MX6535內置了氮化鎵驅動，並消除了傳統的二次反饋電路；另一方面也得益於次級晶片內置同步整流控制器和協議識別，並通過數字算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直驅控制ZVS反激晶片，這也是國內首個直驅氮化鎵功率器件ZVS反激控制器，填補了國內空白。
亞成微RM6801SN是一款高性能高可靠性電流控制型PWM開關控制晶片，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；並且支持CCM/QR混合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，提高產品效率及功率密度，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制器，可以實現ZVS開通，提高效率，滿足高頻應用的需求；同時回收漏感能量，進一步提高效率；晶片加入抖頻功能，改善系統的EMI性能；同時支持X-cap放電；供電內置Boost電路，適合寬範圍輸出應用，並且節省供電損耗；外圍電路簡單，方便應用。
為了展示JW1550晶片的性能，傑華特目前已經基於該晶片開發出了一套65W氮化鎵快充參考設計，該方案搭配軟線變壓器，具有外圍晶片簡潔、高頻、高效等特點。
2、傑華特JW1515H
傑華特JW1515H高性價比的高頻QR反激控制器，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、雙繞組供電等方式即可輕鬆適配寬輸出電壓範圍；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，針對不同PD輸出規格，可以選擇最合適的保護功能，無需增加外圍器件即可滿足LPS要求；同時具備高壓啟動、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制器，其內置高壓啟動功能，併集成了AC輸入掉電檢測與X電容放電功能；晶片擁有±1%恆壓精度；超低啟動/工作電流，待機功耗小於30mW；支持低谷鎖定模式，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開發出了一套65W氮化鎵快充參考設計，得益於晶片內置驅動，外圍電路精簡，可搭配市面上主流的GaN功率器件開發高頻、高效、高功率密度的氮化鎵快充方案。
據了解，必易KP2202目前還處於開發調試階段，預計2021年三月將有量產版本進入市場，值得期待。
充電頭網總結
大功率、小體積、高性能已經成為消費類電源產品的主要發展趨勢。隨著眾多氮化鎵功率器件廠商入局以及產品技術升級迭代，開發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矽功率器件，成為新一代高性價比快充電源產品的最佳選擇。
氮化鎵技術的成熟為傳統的快充市場注入了新的活力，不斷推動電源產品的更新迭代。同時，在高速發展消費類電源市場中，本土晶片廠商的短板也逐漸顯露，關鍵的GaN器件控制技術長時間受制於人，喪失了市場主動權。
可喜的是，在本土電源晶片的廠商的不懈努力下，氮化鎵快充GaN FET控制晶片的研發已經取得突破性進展，並為此開發了相當豐富的參考設計。在前不久的2020年（冬季）USB PD&Type-C亞洲展上，充電頭網也在現場看到了諸多基於全套國產器件開發的氮化鎵快充案例，相信在未來的快充市場中，全國產的氮化鎵快充方案將成為更多電源廠商的選擇。
責編AJX
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