【導讀】硅材料制作的功率器件，也被稱為第一代半導體，而砷化鎵（GaAs）等材料制作的功率器件，則被成為第二代半導體，第二代半導體在高頻性能上優(yōu)于硅器件，通常用于射頻應用。
氮化鎵（GaN）或碳化硅（SiC）器件也被成為第三代半導體，其禁帶寬度約是硅器件的3倍，擊穿場強約是硅器件的10倍，因而具有更高的耐壓能力以及更低的導通壓降，轉換效率高，也更適應高溫工作環(huán)境。與硅材料和SiC相比，GaN材料電子飽和漂移速率更高，適合高頻率應用場景，因而在電力電子應用中，GaN器件可以在MHz以上頻率工作，大大減小了對外圍電路中電感器件的要求，從而可以成倍減少設備體積，減少銅等高成本原材料的用量，在開關電源應用上，明顯優(yōu)于硅器件。
雖然一直很受關注，但“第三代半導體”技術長期處于概念領先于市場的狀況：技術有優(yōu)勢，性能很好，卻受限于成本和應用場景，只能在工業(yè)、汽車電子和通信等專用市場小規(guī)模使用。
直到快充技術開始采用氮化鎵，第三代半導體才真正出圈，跨入大眾可以接觸到的消費電子市場。
據(jù)市場研究機構集邦科技（TrendForce）預測，2025年GaN市場規(guī)模將達8.5億美元，2020-2025年復合成長率（CAGR）將高達78%。其中，GaN前三大應用占比分別為消費性電子（占比60%）、新能源汽車（占比20%）、通訊及數(shù)據(jù)中心（占比15%）。在GaN功率管價格不斷下降（目前已逼近約1美元）及技術方案愈趨成熟的背景下，預計2025年GaN在快充領域的市場滲透率將達到52%。
圖1：GaN在快充市場滲透率
從終端行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，2019年采用了GaN技術的快速充電器出貨量約為300萬臺，2020年增長五倍，總體出貨約1500萬臺，2021年出貨量約為5000萬臺，與集邦科技的數(shù)據(jù)大致吻合。因為快充系統(tǒng)需要在手機等設備側和充電器側各一顆GaN芯片，所以快充將成為第三代半導體首個過億出貨量的細分市場。
從五福一安到突破100瓦，快充技術普及為什么需要GaN？
在快充技術普及前，手機充電器標配功率為5W，即充電電壓5V，充電電流可以達到1A，因此被戲稱為“五福一安”，其中蘋果手機標配充電器多年都采用這個標準。
由于現(xiàn)在智能手機電池容量常在4000mAh左右，5W充電器需要至少充四五個小時才夠用，如此慢的充電速度不能滿足用戶對手機日常使用充電時間的要求。
快速充電的需求催生了快充技術，USB標準組織在2010年推出USB BC1.2充電標準，將充電電流提升至1.5A，從而充電功率達到7.5W，但這之后直到2016年USB電源傳輸協(xié)議USB PD推出之前，USB標準組織再未對USB充電協(xié)議進行改進。
USB標準組織不作為，商業(yè)公司就攬起了責任，美國高通公司在2013年發(fā)布QC1.0技術，標志著快充技術正式落地。QC1.0技術將充電電流提升至2A，充電電壓維持在5V，因而最高充電功率高達10W。
高通QC1.0技術是以提升充電電流的方式來提升充電功率。但由于當時的線材限制，Micro USB 2.0數(shù)據(jù)線可承載的電流上限為2A，因而高通后續(xù)快充協(xié)議版本改為提升電壓。QC2.0協(xié)議將電壓由5V改為5V/9V/12V可選，QC3.0將5V到12V之間調節(jié)步進設為0.2V，可以設置更靈活的充電電壓，并通過支持雙通道充電的方式來突破線材2A電流限制，充電功率高達36W。2017年推出的QC4.0兼容USB PD協(xié)議，而USB PD協(xié)議推出與USB Type C接口普及，讓充電線材突破了2A限制，因而QC4.0支持的功率可高達100W（20V x 5A）。2020年推出的QC5.0，充電功率上限則超過100W。
除了高通，中國手機廠商在快充技術發(fā)展上也功不可沒，甚至比高通的作用還要大。而且，中國手機廠商一開始就選擇了不同于高通的路線：低電壓大電流。高通主導的高電壓小電流模式，對充電線材要求低且兼容性好，但存在充電易發(fā)熱和效率低的弊端，為安全起見，通常充電器會將輸出功率限制在20W以下。
低電壓大電流模式需要對線材有要求，而且需要改造接口，但好處是充電發(fā)熱情況良好，效率高，而且可以突破20W限制。2014年，OPPO發(fā)布VOOC閃充技術并搭載于Find 7商用，首次將手機充電功率提升22.5W（5V x 4.5A）。此后，其他中國手機廠商快速跟進，快速充電成為中高端手機產(chǎn)品的標配。
雖然2014年量產(chǎn)的快速充電器功率超過了20W，但在2019年之前，主流手機快充功率一般不超過60W，主要原因之一即用傳統(tǒng)硅功率器件實現(xiàn)大功率便攜式充電器成本高、體積大，效率也差強人意。變化始于2018年，該年10月份Anker發(fā)布了GaN便攜充電器，將GaN正式引入了消費電子領域。這款充電器支持PD快充協(xié)議，提供高達27W的輸出功率，但是僅比iPhone原裝的5W充電器稍大，可以為任天堂Switch或MacBook Pro充電。此后，OPPO發(fā)布GaN充電器SuperVOOC 2.0，充電功率為65W，這標志著GaN正式進入出貨量規(guī)模巨大的手機市場。
與傳統(tǒng)硅材料相比，基于GaN材料能制造出具有超低導通電阻、高擊穿電壓、高功率、高開關頻率和尺寸小的功率半導體器件，使得基于GaN的器件能夠具有更高的能量密度與工作溫度，更適合高電壓、大電流的工作場景，而且因為GaN器件開關速度更快、導通電阻小，因而能效比更高。
使用GaN功率器件制作的充電器，外形尺寸可以比傳統(tǒng)的硅基充電器減少30-50％，而整體系統(tǒng)效率可高達95％以上，這意味著在相同尺寸和相同輸出功率的情況下，充電器外殼溫度將比傳統(tǒng)充電器更低。此外，因為GaN更耐高溫，充電器可以使用較小的變壓器和較小的機械散熱器，因此整體重量可減少15-30％。
GaN器件引入到手機充電器中，突破了用硅基器件開發(fā)大功率充電器時遇到的效率、散熱和體積等限制，因而手機廠商紛紛跟進，并開始功率競賽，65W幾乎成為高端手機底線，量產(chǎn)快速充電器功率很快突破100W，有些廠商開始推出120W甚至200W的充電器。
要快還要安全
鋰電池特性活躍，容易起火或爆炸，大功率充電時，自然引發(fā)用戶對安全的關注。雖然與傳統(tǒng)硅器件相比，GaN功率管耐高溫、散熱性好，因而安全性更高，適合高功率應用場景，但快充的安全性限制，并不在GaN功率管這邊?？斐涞陌踩L險主要在于電池本身與大功率充電線路上，工程師應該在充電器及手機內部快充模塊做好過壓、過流與過溫保護。
例如，由于鋰電池對溫度非常敏感，高溫將會導致鋰電池起火或爆炸，因而大功率充電時，為了保證電池安全，通常需要監(jiān)測充電模塊和電池的溫度，有些廠商在支持超100W快充的手機中配備十來顆溫度傳感器，以實時監(jiān)測充電情況，確保手機在充電時溫度不超過40℃，而充電器內也有一到兩顆溫度傳感器，通過數(shù)據(jù)線將充電器溫度實時傳遞給手機，手機根據(jù)充電器溫度來實時控制充電功率，以免充電器過熱。
對于電池及快速充電模塊的保護作用，主要看主控芯片。當前國內外廠商在GaN驅動主控芯片上都開發(fā)出很多優(yōu)秀的產(chǎn)品。
下面以市場上常見的幾款產(chǎn)品來看一下各自特點與保護功能。
01 onsemi——NCP1342
貿(mào)澤電子在售的來自制造商onsemi（安森美）NCP1342，這是一款被多家設備廠商采用的快充主控芯片，可簡化高性能離線電源轉換器的設計。
NCP1342具有集成的有源X2電容器放電功能，可以實現(xiàn)低于30mW的空載功耗。NCP1342具有專屬的谷鎖閉電路，確保穩(wěn)定的谷開關。此系統(tǒng)可在低至第6個谷的情況下運行，并轉換為頻率折回模式以降低開關損耗。隨著負載進一步降低，NCP1342進入靜音跳過模式來管理功率傳遞，同時大幅減小噪音。
為了確保高頻率設計的輕負載性能，NCP1342結合了MPCM以快速降低開關頻率。為了幫助確保轉換器耐用性，NCP1342實施了若干關鍵保護功能，如內部欠電壓檢測、在任何輸入電壓下保證恒定Pmax的非功耗過功率保護（OPP）、通過專門引腳實現(xiàn)的鎖存過電壓和NTC就緒高溫保護，以及線路去除檢測，可在去除交流線路時對X2電容器進行安全放電。
圖2：NCP1342典型應用電路
02 onsemi——NCP13992
安森美另一款也在貿(mào)澤電子有售的NCP13992，是一款電流模式諧振控制器，其內置600V門極驅動器，簡化布局，減少了外部部件數(shù)量。在需要PFC前級的應用中，NCP13992可輸出驅動信號控制PFC控制器，此功能結合專門的無噪聲跳過模式技術進一步提高了整個應用的輕負載能效。
NCP13992提供了一整套保護功能，可實現(xiàn)在任何應用中的安全運行。其中包括：過載保護、防止硬開關周期的過電流保護、欠電壓檢測、開路光耦合器檢測、自動停滯時間調節(jié)、過電壓（OVP）和高溫（OTP）保護。因此，此器件可用于筆記本適配器、液晶電視、大功率適配器、電腦電源、工業(yè)及醫(yī)療應用和照明應用。
03 NXP——TEA2016AAT
貿(mào)澤電子在售的來自制造商NXP，TEA2016AAT是市場上另一款流行主控芯片。TEA2016AAT是一款面向高效諧振電源的數(shù)字可配置LLC和PFC組合控制器，同時集成了LLC控制器功能以及DCM和QR模式下工作的PFC控制器。借助TEA2016AAT可以構建出完整的諧振電源，不僅設計簡單，所需組件數(shù)也很少。
TEA2016AAT采用數(shù)字架構，基于高速數(shù)字內核控制器，在開發(fā)過程中可調節(jié)LLC和PFC控制器的工作和保護設置，并根據(jù)設置值運行，為獲得高度可靠的實時性能提供了保障。
TEA2016AAT集成X電容放電，正常輸出信號指示。芯片采用谷底/零電壓開關以減小開關損耗，全負載范圍內都保持高轉換效率，并且符合新的節(jié)能標準，空載輸入功率＜75mW。同時TEA2016AAT還具有完整全面的保護功能，包括電源欠壓保護，過功率保護，內部和外部過熱保護，精確的過壓保護，過流保護和浪涌保護等保護功能。
04 Power Integrations——INN3379C
貿(mào)澤電子在售的來自制造商Power Integrations的INN3379C則是高集成度代表。
INN3379C采用PowiGaN技術，內置PWM控制器、高壓MOS、同步整流控制器等，集成度非常高，并且采用數(shù)字總線控制調壓。PowiGaN是PI公司的氮化鎵技術，將氮化鎵功率器件合封于主控芯片中，實現(xiàn)將控制器、驅動器、GaN開關、保護和SR控制全部集成于一體，基于PowiGaN的IC在整個負載范圍內的效率高達95％，封閉式適配器不需散熱片就可實現(xiàn)高達100W輸出功率。在提升產(chǎn)品效率、保障穩(wěn)定性的同時，PowiGaN也大大降低了設備廠商應用的門檻。
總結
快速充電技術無疑大幅改善了手機續(xù)航體驗，但手機廠商在充電功率上的“軍事競賽”也帶來對保護電路和安全措施的更高要求，只有確保電源安全，提升充電功率才有意義，而充電器主控芯片，是決定一款充電器是否安全易用的關鍵。
來源：貿(mào)澤電子
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