發(fā)力GaN快充市場，英飛凌推出全新一站式解決方案

芯智訊|Core Zhixun|

2022-03-10 13:20:02 3

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近兩年來，基于氮化鎵（GaN）的快充產(chǎn)品以其優(yōu)異的性能在市場上非常的受歡迎，而這背后也離不開上游的GaN器件廠商的努力。不久前，英飛凌也針對快充充電器市場發(fā)布了基于GaN的全新的集成功率級（IPS）產(chǎn)品—— CoolGaN IPS 系列，近日英飛凌在深圳召開媒體溝通會，來自英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部的專家分享了充電器市場的發(fā)展趨勢，并詳細(xì)解析了其CoolGaN IPS系列產(chǎn)品的特色以及英飛凌的一站式USB Type-C解決方案。

手機(jī)快充滲透率快速增長，功率已上到200W

隨著智能手機(jī)的處理器性能越來越強(qiáng)，再加上5G、高刷新屏的應(yīng)用，使得智能手機(jī)的功耗越來越大，這在電池技術(shù)未有重大突破的前提下，對于智能手機(jī)的續(xù)航帶來了非常大的挑戰(zhàn)。而為了解決用戶對于續(xù)航的焦慮，眾多的智能手機(jī)廠商紛紛推出大功率的快充技術(shù)來間接解決這一問題，這也推動了快充市場的快速增長。

根據(jù)國金證券的測算，2018年“華米OV”的快充滲透率為52%，2019就提升到了62%。其中 20W~30W 的快充滲透率，2018年為22%，2019年達(dá)28%；30W 以上的快充滲透率，2018年僅1%，2019年就快速提升到了11%。對應(yīng) 2018、2019年手機(jī)充電器平均功率為13.8W、17.8W，2019年同比增長29%，其中華為、小米2019年標(biāo)配充電器平均功率分別為20.6W、22.6W，同比分別增長44%、75%。

自2020年以來，快充充電器的功率進(jìn)一步加速提升。比如華為Mate40 Pro就配備了66W快充，小米10*紀(jì)念版手機(jī)、iQOO 5 Pro則都配備了高達(dá)120W的快充充電器。

功率越高則意味著更短的時間能夠充入更多的電量。根據(jù)小米實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，100W快充只需要17分鐘即可充滿4000mAh電池。而老式的5W充電器則需要至少5小時左右才能充滿4000mAh電池。

2021年5月25日，USB-IF協(xié)會更新了v2.1版本USB Type-C線纜和接口標(biāo)準(zhǔn)。在充電方面，USB PD 3.1快充標(biāo)準(zhǔn)也迎來了重大更新，新增了28V、36V、48V三個拓展輸出電壓，并將最大輸出功率提升至240W。不過從規(guī)范來看，無論是充電器、線纜等似乎都需要重新設(shè)計(jì)，包括支持48V/5A等。

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隨后，小米已宣布將全球*200W有線快充以及120W無線快充，并打破了兩項(xiàng)手機(jī)充電紀(jì)錄，4000mAh的電池，200W有線8分鐘即可充滿、120W無線15分鐘即可充滿。

而手機(jī)快充功率能夠提高的如此之快，這背后一方面是快充技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的提升，另一方面則是得益于第三代半導(dǎo)體GaN（氮化鎵）器件的成熟。

英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部應(yīng)用市場經(jīng)理盧柱強(qiáng)也表示，目前充電器的技術(shù)和市場趨勢正朝著大功率、體積更小更輕薄、更通用（統(tǒng)一的Type-C接口，一個充電器就能支持全部產(chǎn)品的供電和充電）、更低成本的方向發(fā)展。得益于GaN器件在充電功率、效率、體積、發(fā)熱、總體的系統(tǒng)成本等方面的優(yōu)勢，未來基于GaN的Type-C充電器將成為主流。

GaN器件優(yōu)勢明顯，市場潛力巨大

目前快充主要是兩種技術(shù)路徑，一種是主要通過提高電壓來達(dá)到高電流高功率充電，另一種是通過低電壓高電流來實(shí)現(xiàn)高速充電，但是不論哪種技術(shù)路徑，要實(shí)現(xiàn)更高的充電功率，都需要用到同步整流MOS管，以提高轉(zhuǎn)換效率，降低發(fā)熱量。而相對于傳統(tǒng)的硅基MOS管來說，GaN mos管可以實(shí)現(xiàn)更高開關(guān)速度和更高的效率、更低的發(fā)熱、更小的體積。

資料顯示，與常規(guī)的硅材料相比，GaN功率器件的性能具有明顯優(yōu)勢。

首先，GaN的禁帶寬度是硅的3倍，臨界擊穿電場是硅的十倍，因此同樣額定電壓的GaN器件的導(dǎo)通電阻比硅器件低1000倍左右，這大大降低了開關(guān)的導(dǎo)通損耗，使得GaN器件能夠承載更高的能量密度和更高的溫度。

其次，GaN器件寄生電容小，電子飽和速度快，具有較高的載流子遷移率，這也使得GaN開關(guān)工作頻率可比硅器件高數(shù)十倍左右。正由于GaN可以工作在高頻段，因此可以使得整個電路的開關(guān)工作頻率可以從原來的幾十KHz，提高到幾百KHz甚至幾MHz。

英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部應(yīng)用市場經(jīng)理盧柱強(qiáng)也表示，與傳統(tǒng)的硅器件相比，GaN器件的開關(guān)頻率越高，在充電效率上的優(yōu)勢也就越明顯。

而充電效率越高，也意味著功率密度越高。在同等功率下，GaN充電器可以大幅縮小電路中的電容、電感等器件的體積，讓產(chǎn)品的體積可以做得更小。不僅可以減少銅等原材料的消耗，降低總體的系統(tǒng)成本，同時散熱也能夠得到進(jìn)一步控制。

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△碳化硅和氮化鎵大概的應(yīng)用定義和范圍區(qū)間（橫軸是電源的開關(guān)頻率，縱軸是功率）

根據(jù)英飛凌的數(shù)據(jù)，目前GaN器件在單位功率上已經(jīng)能夠達(dá)到硅器件的200%。更大的單位功率能夠使得充電器內(nèi)部能夠節(jié)省出更多的空間。

比如去年2月小米發(fā)布的Type-C接口的65W GaN充電器，45 分鐘即可為小米10Pro（4500mAh 電池）充電 100%，但體積僅為小米筆記本電腦標(biāo)配的65W充電器的50%。

總結(jié)來說，與傳統(tǒng)的硅器件快充相比，GaN充電器具有功率密度大、能量轉(zhuǎn)化效率高、體積小、重量輕、發(fā)熱小等特點(diǎn)。

隨著GaN器件的成熟，基于GaN的充電器市場滲透率正逐漸提升。目前，三星、華為、小米、OPPO、vivo、魅族等廠商都有推出GaN充電器。雖然目前GaN充電器的成本還相對較高，但是隨著GaN技術(shù)的成熟及相關(guān)產(chǎn)品滲透率的提升，單位功率的總擁有成本的優(yōu)勢正越來越明顯。

根據(jù)中信證券的市場分析，預(yù)計(jì)2020年全球GaN充電器市場規(guī)模為23億元，2025年將快速上升至638億元，5年復(fù)合增長率高達(dá)94%。

發(fā)力快充市場，英飛凌推出全新CoolGaN IPS系列產(chǎn)品

作為GaN器件領(lǐng)域的重要供應(yīng)商，英飛凌早在2018年就推出了GaN解決方案——CoolGaN 600V增強(qiáng)型HEMT和GaN開關(guān)管專用驅(qū)動IC（GaNEiceDRIVER IC）。（由于GaN的開關(guān)頻率非常快，因此驅(qū)動IC 很難匹配，因此GaN器件供應(yīng)商都要提供定制化驅(qū)動IC。）

據(jù)英飛凌電源與傳感系統(tǒng)事業(yè)部大中華區(qū)副總裁陳志豪介紹，從2018年英飛凌的GaN器件推出之后，就已經(jīng)有客戶量產(chǎn)使用了，其中包含國內(nèi)跟海外的客戶，過去這兩三年來，已經(jīng)有更多的客戶批量使用，應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。

而面對快速增長的快充市場，今年5月，英飛凌推出了全新的集成功率級（IPS）產(chǎn)品 CoolGaN IPS 系列產(chǎn)品，進(jìn)一步拓展其GaN功率元件組合。

據(jù)介紹，此次發(fā)布的CoolGaN IPS 系列產(chǎn)品，包括半橋和單通道產(chǎn)品，面向30W-500W低功率至中功率的應(yīng)用，例如充電器、適配器以及其他開關(guān)電源（SMPS）等。而CoolGaN IPS系列產(chǎn)品的最大特色就是，將GaN開關(guān)器件和驅(qū)動IC集成在一起，封裝在了同一個封裝里面。

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據(jù)盧柱強(qiáng)介紹：“氮化鎵的特性是越高頻率效果越好，我們也知道氮化鎵這一極很容易損壞，頻率越高、震蕩越大，越容易壞，所以把驅(qū)動IC和開關(guān)器件集成在一起，放到同一個Package(封裝)里面，不僅可以減少外部互相的干擾，提高它的可靠性，同時也更易于給工程師做設(shè)計(jì)。當(dāng)然，由于寄生參數(shù)的減少，也會有利于頻率的提高，外圍器件數(shù)量減少，然后PCB的面積也會減少。所以從我們的角度來看，一方面利用了氮化鎵的高頻特性，一方面又可以避免高頻下與驅(qū)動之間的距離不可控，產(chǎn)生的一些可靠性和設(shè)計(jì)難度的問題。我們的IPS產(chǎn)品就是基于這么一個背景和理念而來。我們現(xiàn)在提供的封裝主要是8*8，后面會有更多的封裝給客戶選用。”

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△英飛凌發(fā)布的兩款CoolGaN IPS系列產(chǎn)品的內(nèi)部框圖和架構(gòu)

具體來看，全新推出的CoolGaN IPS系列產(chǎn)品具有以下五大亮點(diǎn)：

1、低至47ns的時延，支持1MH2高頻開關(guān)，死區(qū)控制更準(zhǔn)確，半橋控制一致性更好；2、外部可配置驅(qū)動RC網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化具體線路dv/dt；3、輸入端支持各種MCU, DSP或FPGA等3.3 V CMOS PWM；4、無磁芯變壓器驅(qū)動，氣隙隔離更安全，1A/2A驅(qū)動能力更強(qiáng)；5、輸入/輸出級功能絕緣：a.數(shù)字控制與功率級之間無噪聲耦合。b.上、下管可承受更高的dv/dt及共模噪聲干擾。c.無需外加驅(qū)動芯片，節(jié)省成本。

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為了便于客戶快速推出基于CoolGaN IPS系列器件的快充充電器產(chǎn)品，英飛凌還特地推出了三款基于CoolGaN IPS系列器件的65W快充充電器參考設(shè)計(jì)板。

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提供一站式GaN USB-C充電解決方案

正如前面所提到的，未來基于GaN的Type-C充電器將成為市場主流。而英飛凌除了提供數(shù)年前就已經(jīng)量產(chǎn)的CoolGaN系列GaN開關(guān)管產(chǎn)品，以及最新推出的基于GaN的CoolGaN IPS系列集成功率級產(chǎn)品之外，英飛凌通過其收購的賽普拉斯，可以為客戶提供*的一站式的USB Type-C充電器解決方案。

根據(jù)英飛凌公布的數(shù)據(jù)顯示，旗下的賽普拉斯擁有超過15年的USB方案經(jīng)驗(yàn)以及5年的USB Type-C方案經(jīng)驗(yàn)，是全球*大USB控制芯片供應(yīng)商。截至2020年，賽普拉斯已累計(jì)出貨27億顆USB控制器芯片。其中，在近幾年興起的USB Type-C市場，賽普拉斯也已累計(jì)出貨了超過10億顆USB Type-C控制器。

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作為電源管理IC市場的領(lǐng)頭羊，隨著英飛凌在去年完成了對于全球*大USB控制芯片廠商賽普拉斯的收購，也使得英飛凌擁有了一站式的GaN USB Type-C充電解決方案。

目前英飛凌與賽普拉斯的產(chǎn)品組合，已經(jīng)涵蓋了功率級、原邊、副邊，還有控制器、協(xié)議、高壓硅MOS、低壓硅MOS、氮化鎵等，可以滿足客戶對于大功率、小型化、統(tǒng)一性、通用性、成本優(yōu)化方案等需求。

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值得一提的是，在更高功率需求的市場，同樣屬于第三代半導(dǎo)體的碳化硅也有著很大的優(yōu)勢。而英飛凌也是目前市場上*一家，能提供涵蓋硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等材料的全系列功率產(chǎn)品的公司。

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