120W氮化镓快充研发成功：国产芯片技术再创佳绩

1. 120W氮化镓快充研发成功：国产芯片技术再创佳绩

  为了满足不断加快的生活节奏，手机、笔记本电脑等设备的充电速度变得越来越快，大功率、小体积的高密度快充电源配件也逐渐成为市场的主流。尤其是随着氮化镓技术在快充领域的商用，进一步催化了高密度电源市场的形成；从芯片原厂到方案商，再到快充工厂，一直都在尝试通过各种创新实现对更高功率密度的 探索 。 
    近期，业内知名电源厂商科讯实业针对大功率、高密度快充电源市场推出了一款全新的120W氮化镓PD快充电源产品，并由具备9年电源方案开发经验的芯仙半导体提供方案及技术支持。 
       科讯实业联合芯仙半导体最新推出的这套120W氮化镓快充采用可折叠的拆脚设计，方便收纳，并且输出端配备了2个USB-C接口和1个USB-A接口。 
       据介绍，充电器在单口输出时，两个USB-C口均支持最大100W，USB-A口支持最大60W；双USB-C口输出时，两个接口均降为60W，综合功率120W。任意1A1C输出时，USB-A口最大30W，USB-C口最大87W，综合功率117W。 
       充电头网了解到，该款120W氮化镓快充由深圳市科讯实业有限公司制造，内部电路由芯仙半导体主导设计，是一款基于全国产器件的高性能方案。方案初级侧采用亚成微氮化镓控制器搭配英诺赛科InnoGaN功率器件，次级侧为福建福芯同步整流控制器搭配芯派 科技 同步整流MOS，AC-DC输出固定电压之后，再由智融SW3516H芯片完成二次降压和协议识别，支持功率智能分配。此外还采用了深圳市金尚电子的变压器、东莞创慧电子的电解电容以及吉祥腾达的滤波电感。 
       得益于氮化镓功率器件的应用以及紧凑的内部PCB结构设计，这套120W氮化镓快充将产品体积控制在极致的范围内，外壳尺寸仅比名片稍大。 
       与苹果原装61W快充充电器相比，尽管两者功率相差一倍，但芯仙半导体120W氮化镓快充的体积仍有着巨大的优势。 
       实测芯仙半导体120W氮化镓快充方案带外外壳，长约84mm、宽约57mm、厚约30.5mm。通过计算可得其功率密度达到了0.82W/cm³，超越了目前市面上大部分在售的三口快充充电器。 
       同时还测得芯仙半导体120W氮化镓快充方案的机身净重约为237.5g。 
       使用ChargerLAB POWER-Z KT002检测这套方案的输出协议，显示两个USB-C口性能完全一致，均支持Apple2.4A、Samsung 5V2A、QC3.0、QC2.0、AFC、FCP、SCP、MTK PE、PD3.0 PPS等主流充电协议。 
       在单口输出时，两个USB-C接口的性能也是完全一致的，最大输出功率均为100W，并有5V3A、9V3A、12V3A、15V3A、20V5A五组固定电压以及一组PPS电压：3.3-21V 5A。 
       两个USB-C接口在同时连接负载时，支持单口智能降功率为60W输出，PDO固定电压档位均为5V3A、9V3A、12V3A、15V3A、20V3A，PPS电压为3.3-11V 5A。 
       任意单USB-C口给iPhone 12 Pro充电，均可手机支持正常进入20W PD快充模式，同时也可兼容iPhone 12 mini、iPhone 12、iPhone 12 Pro Max等机型20W PD快充。 
       单USB-C口为苹果MacBook Pro 16寸充电，电压19.87V，电流4.59A，充电功率达到91.3W，进入USB PD快充模式，充电速度媲美苹果原装96W充电器。 
       任一单USB-C口为征拓100W移动电源充电，电压19.84V，电流5A，充电功率99.5W，单口输出接近满负荷状态。 
       当两个USB-C接口同时输出时，两个接口的输出功率均在52W左右，支持两台设备同时大功率快充。 
       温升方面，将这款120W氮化镓快充放置在25 恒温箱中，并以单口100W满载输出1小时，使用FLIR红外测温仪测得机身外壳正面最高温度约为75.1 ，背面最高温度点约为65.2 。机身外壳的整体温升均处于正常范围内。 
     充电头网总结  
    大功率、小体积、高效率已然成为了当前PD快充市场的主要发展趋势，这款120W氮化镓快充也是应运而生，一方面利用氮化镓功率器件的特性，实现了大功率、高效率以及低温升；另一方面对内部结构设计进行全面优化，在保证性能的同时，实现对功率密度的突破，以达到更加便携的目的。 
    芯仙半导体120W氮化镓快充方案已经处于量产调试的最后阶段，上市之后将能够一次性满足消费者对多口快充、大功率快充、小体积快充等多方面的需求。此外，基于全套国产器件的氮化镓快充方案在成本方面占有极大的优势，这将在帮助电源厂商提升产品竞争力的同时，进一步加快氮化镓快充技术的普及。 
    据了解，除了120W氮化镓快充之外，芯仙半导体还可提供高性价比18W、饼干盒氮化镓65W、小绿点20W、方形多口氮化镓65W、150W、 200W快充成熟方案等。 

2. 氮化镓快充研发重大突破，三大核心芯片实现全国产

  充电头网近日从供应链获悉，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。 
       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  
       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 。 
       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。 
       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。 
       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。 
       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。 
       USB-C口支持Apple2.4A、Samsung5V2A、QC3.0、QC2.0、AFC、SCP、PE、PD3.0 PPS等协议。 
       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  
       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。 
       南芯SC3021A详细规格资料。 
       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。 
       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。 
       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。 
       智融SW3516H详细规格资料。 
     五、行业意义  
      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。 

3. 新型120W氮化镓快充问世：全国产芯片，体积仅65W大小

   一、高频设计，实现体积小型化  
           
    采用杰华特ACF控制器，能实现全电压范围的软开关，使得系统工作频率高达300-500KHz，同时匹配第三代半导体GaN高频高效的特性，此款120W方案的磁性元件、电容器体积大幅减小，功率密度达2.3W/cm³，同时结合超低热阻的DFN封装进行巧妙设计，体积与市面上65W 氮化镓快充大小相当，全面实现小型化。 
     二、PFC+ ACF 两级效率高达94.3%，温升更低  
       从上图得知，此款120W快充方案在90V~264V全电压下，平均效率达92%以上，最高效率为94.3%，高频高效率也实现了更低的温升，让大功率充电发热问题不复存在。 
     三、EMC技术新突破  
       此款120W快充方案在EMC技术上实现了全新突破, 解决了高频ACF架构方案EMC 设计难点，EMI噪声裕量达到6db以上，并且大大优化了EMC滤波电路器件体积，降低成本。 
    关于杰华特JW1550和JW7726B 
        
    JW1550是专用于ACF（有源钳位反激电路）的控制器，采用自主研发的新型自适应ZVS控制技术，可以实现主功率管的ZVS开通，同时回收漏感能量，实现不同输入输出下的效率最优，和业界的传统QR方案相比，ACF控制方式下的65W-200W适配器效率能提升至1.5%；且主功率管管电压应力小；加入抖频功能，可以有效改善系统的EMI性能。 
    同时支持X-cap放电，内置Boost电路，供电适合宽范围输出应用，外围电路简单。和业界量产中的ACF方案对比，外围电路能省15颗器件左右，在缩小设备体积和环保方面优势明显。多模式控制策略可以进一步提高系统的全范围效率，在宽范围输出场合也能满足能效标准。 
       副边搭配JW7726B高频同步整流控制器，支持CCM、DCM、QR和ACF模式，在振铃期间能有效防止同步整流MOSFET的误开通；具有快速关断能力以便能兼容CCM；在启动过程中（VCC建立之前）能有效防止门极gate被耦合至开启电压。目前JW7726系列产品累计发货量已接近千万颗。 
    杰华特与英诺赛科已经合作推出了多款GaN快充方案，此次120W方案是基于红魔 游戏 手机标配120W快充方案的又一次升级，更大程度上实现效率高、体积小、温升低的优势，是大功率设备标配首选！氮化镓市场空间巨大，杰华特与英诺赛科会携手打造更多具有竞争力的解决方案。 

4. 现在市面上很多氮化镓充电器，它的技术怎么样？