氮化镓快充研发重大突破!三大核心芯片实现全国产

2020-12-18 11:37:21 topmold 660

近日从供应链获悉,国产氮化镓快充研发取得重大突破,三大核心芯片实现自主可控,性能达到国际先进水准。

一、氮化镓快充市场规模

氮化镓(gallium nitride,GaN)是下一代半导体材料,其运行速度比旧式传统硅(Si)技术加快了二十倍,并且能够实现高出三倍的功率,用于尖端快速充电器产品时,可以实现远远超过现有产品的性能,在尺寸相同的情况下,输出功率提高了三倍。

氮化镓快充研发重大突破!三大核心芯片实现全国产

也正是得益于这些性能优势,氮化镓在消费类快充电源市场中有着广泛的应用。充电头网统计数据显示,目前已有数十家主流电源厂商开辟了氮化镓快充产品线,推出的氮化镓快充新品多达数百款。

华为、小米、OPPO、魅族、三星、中兴、努比亚、魅族、realme、戴尔、联想等多家知名手机/笔电品牌也先后入局。

另有数据显示,在以电商客户为主的充电器市场,2019年氮化镓功率器件出货量约为300万-400万颗,随着手机以及笔记本电脑渗透率进一步提升,2020年将实现5-6倍增长,总体出货1500-2000万颗,2021年GaN器件的出货量有望达到5000万颗。预计2025年全球GaN快充市场规模将达到600多亿元,市场前景异常可观。

二、氮化镓快充的主要芯片

据了解,在氮化镓快充产品的设计中,主要需要用到三颗核心芯片,分别氮化镓控制器、氮化镓功率器件以及快充协议控制器。目前氮化镓功率器件以及快充协议芯片均已陆续实现了国产化;而相比之下,氮化镓控制芯片的研发就成了国产半导体厂商的薄弱的环节,氮化镓控制器主要依赖进口,主动权也一直掌握在进口品牌手中。

这主要是因为GaN功率器件驱动电压范围很窄,VGS对负压敏感,器件开启电压阈值(VGS-th)低1V~2V左右,极易受干扰而误开启。所以相较传统硅器件而言,驱动氮化镓的驱动器和控制器需要解决更多的技术难题。

此外,目前市面上除了少数内置驱动电路的GaN功率器件对外部驱动器要求较低之外,其他大多数GaN功率器件均需要借助外部驱动电路。

没有内置驱动电路而又要保证氮化镓器件可靠的工作并发挥出它的优异性能,除了需要对驱动电路的高速性能和驱动功耗做重点优化,还必须让驱动器精准稳定的输出驱动电压,保障器件正确关闭与开启,同时需要严格控制主回路上因开关产生的负压对GaN器件的影响。

三、全套国产芯片氮化镓快充问世

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东莞市瑞亨电子科技有限公司近日成功量产了一款65W氮化镓快充充电器,除了1A1C双口以及折叠插脚等常规的配置外,这也是业界首款基于国产氮化镓控制芯片、国产氮化镓功率器件、以及国产快充协议芯片开发并正式量产的产品。三大核心芯片分别来自南芯半导体、英诺赛科和智融科技。

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充电头网进一步了解到,瑞亨65W 1A1C氮化镓快充充电器内置的三颗核心芯片分别为南芯的主控芯片SC3021A、英诺赛科氮化镓功率器件INN650D02,以及智融二次降压+协议识别芯片SW3516H。

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该充电器支持100-240V~ 50/60Hz输入和双口快充输出,配备最大输出65W的USB-C接口,以及最大30W输出的USB-A接口。

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瑞亨65W 1A1C氮化镓快充整机尺寸约为53*53*28mm,功率密度可达0.83W/mm³,与苹果61W充电器修昂相比,体积约缩小了三分之一。

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ChargerLAB POWER-Z KT001测得该充电器的USB-A口支持Apple2.4A、Samsung5V2A、QC3.0、QC2.0、AFC、FCP、SCP、PE等协议。

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USB-C口支持Apple2.4A、Samsung5V2A、QC3.0、QC2.0、AFC、SCP、PE、PD3.0 PPS等协议。

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PDO报文显示充电器的USB-C口支持5V3A、9V3A、12V3A、15V3A、20V3.25A、3.3-11V 5A。

四、氮化镓快充三大核心芯片自主可控

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南芯总部位于上海。南芯SC3021A满足各类高频QR快充需求,采用专有的GaN直驱设计,省去外置驱动器或者分立驱动器件;集成分段式供电模式,单绕组供电,无需复杂的供电电路;内置高压启动及交流输入Brown In/Out功能,集成了X-cap放电功能;SC3021A最高支持170KHz工作频率,适用于绕线式变压器,SC3021B最高支持260KHz工作频率,适用于平面变压器。

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南芯SC3021A详细规格资料

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初级侧氮化镓开关管来自英诺赛科,型号INN650D02 ,耐压650V,导阻低至0.2Ω,符合JEDEC标准的工业应用要求,这是整个产品的核心元器件。

INN650D02 “InnoGaN”开关管高频特性好,且导通电阻小,适合高频高效的开关电源应用,采用DFN8*8封装,具备超低热阻,散热性能好,适合高功率密度的开关电源应用。

英诺赛科总部在珠海,在珠海、苏州均有生产基地。据了解,INN650D02 “InnoGaN”开关管基于业界领先的8英寸生产加工工艺,是目前市面上最先量产的先进制程氮化镓功率器件,这项技术的大规模商用将推动氮化镓快充的快速普及。

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目前,英诺赛科已经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,产品将为5G移动通信、数据中心、新能源汽车、无人驾驶、手机快充等战略新兴产业的自主创新发展提供核心电子元器件。

英诺赛科InnoGaN系列氮化镓芯片已经开始在消费类电源市场大批量出货,成功进入了努比亚、魅族、Lapo、MOMAX、ROCK、飞频等众多知名品牌快充供应链,并且均得到良好的市场反馈,成为全球GaN功率器件出货量最大的企业之一。

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智融总部位于珠海。智融SW3516H是一款高集成度的多快充协议双口充电芯片,支持A+C口任意口快充输出,支持双口独立限流。

其集成了 5A 高效率同步降压变换器,支持 PPS、PD、QC、AFC、FCP、SCP、PE、SFCP、低压直充等多种快充协议,CC/CV 模式,以及双口管理逻辑。

外围只需少量的器件,即可组成完整的高性能多快充协议双口充电解决方案。

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智融SW3516H详细规格资料

五、行业意义

在快充电源的更新迭代中,氮化镓功率器件凭借其高频低阻、高导热、耐高温等特性,越来越被行业关注,并逐渐成为了消费类电源市场的全新发展方向。

氮化镓快充三大核心芯片全面国产,一方面是在当前中美贸易摩擦的大背景下,避免关键技术被掐脖子;另一方面,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。在未来的市场争夺战中,全国产的氮化镓快充方案也将成为颇具实力的选手。

相信在不久之后,氮化镓快充产品的价格将会逐渐平民化,以普通硅充电器的价格购买到全新氮化镓快充的愿景也将成为可能。

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