【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(zhuǎn)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(guān)電源應用上，明顯優(yōu)于硅器件。
雖然一直很受關(guān)注，但“第三代半導體”技術(shù)長期處于概念領先于市場的狀況：技術(shù)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(shù)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(gòu)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(shù)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(shù)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(cè)和充電器側(cè)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(shù)普及為什么需要GaN？
在快充技術(shù)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(shù)，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(shù)，標志著快充技術(shù)正式落地。QC1.0技術(shù)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(shù)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(diào)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(shù)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(shù)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(guān)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(guān)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(guān)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(nèi)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(nèi)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(nèi)外廠商在GaN驅(qū)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(zhuǎn)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(guān)。此系統(tǒng)可在低至第6個谷的情況下運行，并轉(zhuǎn)換為頻率折回模式以降低開關(guān)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(jié)合了MPCM以快速降低開關(guān)頻率。為了幫助確保轉(zhuǎn)換器耐用性，NCP1342實施了若干關(guān)鍵保護功能，如內(nèi)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(nèi)置600V門極驅(qū)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(qū)動信號控制PFC控制器，此功能結(jié)合專門的無噪聲跳過模式技術(shù)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(guān)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(diào)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(gòu)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(gòu)，基于高速數(shù)字內(nèi)核控制器，在開發(fā)過程中可調(diào)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(guān)以減小開關(guān)損耗，全負載范圍內(nèi)都保持高轉(zhuǎn)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(nèi)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(shù)，內(nèi)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(diào)壓。PowiGaN是PI公司的氮化鎵技術(shù)，將氮化鎵功率器件合封于主控芯片中，實現(xiàn)將控制器、驅(qū)動器、GaN開關(guān)、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(nèi)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(jié)
快速充電技術(shù)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(guān)鍵。
來源：貿(mào)澤電子
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