在快速发展的科技浪潮中,氮化镓快充技术已正式进入商用快车道。尤其在数码产品大功率快充和5G时代的双重驱动下,氮化镓技术在消费类电源领域如鱼得水,市场容量呈现出惊人的增长态势。
氮化镓快充市场的繁荣,不仅引领了功率器件市场的变革,同时也推动了GaNFET控制技术的迅猛发展。当前,全球范围内已经涌现出一批实力雄厚的芯片公司,纷纷推出先进的氮化镓控制器。
一、氮化镓控制芯片的市场前景
作为下一代半导体材料的氮化镓(GaN),其运行速度相比传统的硅(Si)技术有了显著的提升,功率能力更是达到了三倍的水平。当应用于快速充电产品时,其性能远超现有产品,使得在相同尺寸下,输出功率得以大幅提升。
充电头网指出,当前消费类电源市场上,GaN快充电源主要采用了650V氮化镓功率器件(GaNFET)作为功率开关。利用氮化镓的高频特性,终端快充产品的体积更小、效率更高。随着技术的不断进步,多家企业已积极布局第三代半导体,预计全球GaN快充市场在不久的将来将达到惊人的规模。
二、氮化镓快充控制芯片的技术挑战
尽管氮化镓器件的增长势头迅猛,但与之配套的控制芯片仍是薄弱环节。目前市面上量产商用的氮化镓快充控制器供应商为数不多。由于GaN功率器件的开关速度更快、通态电阻低、驱动损耗小,其在高频应用场合中表现出无与伦比的高转换效率和低发热特性,这也使其成为未来功率器件的主流发展方向。
作为一种新型半导体材料器件,GaN功率器件对驱动电压的敏感度极高,其开启电压阈值低,极易受干扰而误开启。相较于传统硅器件,驱动氮化镓的驱动器和控制器需要解决更多的技术问题。大多数GaN功率器件需要借助外部驱动电路来保证正常工作并发挥出其卓越性能。为了确保驱动电路的高速性能和驱动功耗的优化,驱动器必须精准稳定地输出驱动电压,保障器件的正确关闭与开启,同时严格控制主回路上因开关产生的负压对GaN器件的影响。
三、热门氮化镓快充控制芯片推荐
在众多氮化镓快充控制芯片中,美思迪赛MX6535堪称国内首颗具备量产条件的氮化镓快充主控制芯片。这款芯片打破了国内没有氮化镓控制IC和驱动IC的局面,具备多级恒压和恒流调节功能,并采用先进的Smart-Feedback技术,消除了传统电源的电压电流反馈电路补偿网络的需要。它具备全面的保护功能和故障解除系统自动恢复功能,如逐周期电流限制、过电压保护、反馈回路开路保护等。
搭配美思迪赛半导体集成同步整流的二次侧快充协议SOC控制器,MX6535可以非常方便地实现小体积的USB PD或QC快充电源设计。其先进的数字控制系统可根据手机的输出能力请求实现快速平稳的电压和功率转换。MX6535还可根据用户需求实现兼容联发科(MTK)PE2.0 plus充电器协议的功能。这款芯片的出现无疑为氮化镓快充领域注入了新的活力,并展现了广阔的市场前景。美思迪赛MX6535芯片与自家的次级芯片协同工作,创造出一种超精简、超高集成度的设计美学。在精心打造65W氮化镓快充产品时,仅需一块极其紧凑的PCB板,其尺寸仅相当于两枚的大小,便可完成整个结构设计。这一创新得益于MX6535内置的氮化镓驱动,它革新了传统的二次反馈电路,使结构设计得以大幅简化。次级芯片的同步整流控制器与协议识别功能也通过数字算法,省去了初次级电压及电流RC环路补偿网络,为产品赋予了更高的集成度和效率。
安森美NCP1342是一款高度集成的准谐振反激控制器,专为高性能离线功率转换器而设计。其内部集成的有源X2电容器放电功能实现了低于30mW的无负载功耗。该控制器拥有独特的谷锁闭电路,确保稳定的谷开关操作。随着负载的降低,它还能进入静音跳过模式,以最小的噪音管理功率传递。为了确保高频率设计的轻负载性能,它结合了最低峰值电流调制(MPCM)来智能降低开关频率。它还具有一系列关键的保护功能,如内部欠电压检测、过功率保护、锁存过电压和高温保护等,确保转换器的耐用性。值得一提的是,虽然它尚未内置驱动器,但在搭配纳微GaNfast芯片等内置驱动的氮化镓功率器件时,无需额外配置驱动器。目前,这款控制器已被广泛应用在多款氮化镓快充充电器中,包括魅族、thinkplus、倍思、贝尔金以及HYPER JUICE等品牌的65W氮化镓快充产品。
安森美NCP13992是一款高性能电流模式控制器,专门用于半桥谐振转换器。它简化了布局,减少了外部部件数量,并配备了600V门极驱动器。该控制器在所有应用中都具有内置欠电压输入功能,极大简化了实施过程。在需要PFC前级的应用中,它还具有一个专门输出来驱动PFC控制器。其无噪声跳过模式技术进一步提高了轻负载能效。它还提供了一套全面的保护功能,确保在任何应用中的安全运行。据充电头网拆解发现,倍思推出的120W氮化镓+碳化硅PD充电器已经采用了安森美NCP13992芯片。
亚成微RM6801SN是一款国内首创的E-Mode GaN FET直驱控制ZVS反激芯片。这款芯片填补了国内的技术空白,是一款高性能、高可靠性的电流控制型PWM开关控制芯片。它内置了700V高压启动、X-cap放电等功能,工作频率高达130KHz。全电压范围内待机功耗小于65mW,满足六级能效标准。亚成微RM6801SN采用专有驱动技术直接驱动E-MODE GaN功率器件,提高了产品的效率及功率密度。它还简化了EMI滤波电路设计,降低了EMI器件的成本。这款芯片主要应用于大功率快速充电器中。德州仪器UCC28780与UCC28782A:高效能电源控制器的卓越表现
德州仪器推出的UCC28780和UCC28782A两款高频有源钳位反激式控制器,以其高效能和先进的控制技术成为了电源管理领域的明星产品。
UCC28780是一款高密度交流/直流电源控制器,能够实现符合全球严格效率标准的高效能运行。其用户可编程的高级控制律特性可以针对硅(Si)和氮化镓(GaN)功率FET进行性能优化。凭借逻辑电平栅极信号和使能输出,该控制器能够进一步增强使用组合了驱动器和GaN FET的开关器件的直接运行能力。
该控制器具有自动调谐技术、自适应死区时间优化和可变开关频率控制律,能够在宽广的工作范围内实现零电压开关(ZVS)。其自适应多模式控制可根据输入和输出条件改变运行方式,以提高效率并降低可闻噪声。高达1MHz的可变开关频率和精确的可编程过功率保护功能,使得无源组件的尺寸得以进一步缩小,实现高功率密度。
UCC28780广泛应用于高效率的ACF架构中,如小米、ROxANNE、RAVPower和ANKER等品牌的快充产品。这些应用案例充分展示了该控制器在高效率电源转换方面的卓越性能。
而德州仪器UCC28782A则是一款符合全球效率标准的高密度反激有源钳位(ACF)转换器。它同样具有先进的自动调节和死区控制技术,可在广泛的工作范围内实现ZVS。自适应多模控制保持高效率,降低可闻噪声,减少突发模式下的输出纹波。可编程控制模式则针对宽频率和功率范围进行优化。
UCC28782A的出色性能体现在其高达1.5 MHz的可变开关频率能力,以及用于简单控制器偏置的集成开关稳压器等功能上。独特的EMI频率抖动功能降低了外围元件尺寸和BOM成本。主动X电容放电消除了放电电阻损耗,而内置的电源管理功能则有助于减少突发模式下的ACF驱动器损耗的PFC转换器损耗。目前,该控制器已经被OPPO 50W饼干氮化镓快充充电器采用。
随着市场对高效能电源产品的需求增加,传统电源厂商纷纷转型并推出氮化镓快充产品线。目前已有数十家大型电商品牌推出氮化镓快充产品,功率涵盖多个级别,产品类目丰富。氮化镓技术的商用在消费类电源领域大放异彩,为用户带来极大的便利。我们也欣喜地看到国产半导体厂商在新技术的普及进程中发挥着重要作用。期待在不久的将来,国产氮化镓控制芯片能够在细分领域完成对进口产品的替代,成为真正的国货之光。
德州仪器UCC28780和UCC28782A以其卓越的性能和先进的技术为电源管理领域带来了新的突破。它们的高效能和可靠性为用户带来了极大的便利,并在市场上赢得了广大消费者的追捧和喜爱。