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氮化鎵（galliumnitride，GaN）是下一代半導(dǎo)體材料，其運(yùn)行速度比舊式傳統(tǒng)硅（Si）技術(shù)快了二十倍，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高出三倍的功率，用于尖端快速充電器產(chǎn)品時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有產(chǎn)品的性能，在尺寸相同的情況下，輸出功率提高了三倍。
也正是得益于這些性能優(yōu)勢(shì)，氮化鎵在消費(fèi)類快充電源市場(chǎng)中有著廣泛的應(yīng)用。
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前已有數(shù)十家主流電源廠商開辟了氮化鎵快充產(chǎn)品線，推出的氮化鎵快充新品多達(dá)數(shù)百款。
可以預(yù)見，2021年氮化鎵快充將成為繼續(xù)引領(lǐng)市場(chǎng)發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。同時(shí)，我們也整理了一些2021年極有可能出現(xiàn)的前瞻性發(fā)展趨勢(shì)分享給大家。
合封成為趨勢(shì)
為了在產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)更加簡潔的外圍設(shè)計(jì)，合封氮化鎵芯片逐漸成為市場(chǎng)趨勢(shì)。我們通過整理了解到，目前市面上合封氮化鎵芯片可分為以下四種類型：
控制器+驅(qū)動(dòng)器+GaN：這種方式以老牌電源芯片品牌PI為代表，PowiGaN芯片獲眾多品牌青睞。其基于InSOP-24D封裝，推出了十余款合封主控、氮化鎵功率器件、同步整流控制器等的高集成氮化鎵芯片，成為了合封氮化鎵快充芯片領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。
此外在本土供應(yīng)商中，東科半導(dǎo)體率先推出兩款合封氮化鎵功率器件的主控芯片DKG045Q和DKG065Q，芯片內(nèi)部整合了650V/200mΩE-modeGaNHEMT、邏輯控制器、GaN驅(qū)動(dòng)器、高壓啟動(dòng)管等，采用變頻QR控制方式，對(duì)應(yīng)的最大輸出功率分別為45W和65W。這兩款芯片在節(jié)約系統(tǒng)成本，加速產(chǎn)品上市方面均有著巨大的優(yōu)勢(shì)，并有望在2021年量產(chǎn)。
驅(qū)動(dòng)器+GaN：這種合封的氮化鎵功率芯片以納微半導(dǎo)體為主要代表，其為業(yè)界首家推出內(nèi)置驅(qū)動(dòng)氮化鎵功率芯片的廠商，憑借精簡的外圍設(shè)計(jì)，獲得廣大工程師及電源廠商青睞，在2020年底，達(dá)成芯片出貨量突破1300萬顆的好成績。
驅(qū)動(dòng)器+2*GaN：合封兩顆氮化鎵功率器件以及驅(qū)動(dòng)器的雙管半橋產(chǎn)品，其集成度較傳統(tǒng)的氮化鎵功率器件更高。這類產(chǎn)品應(yīng)用于ACF架構(gòu)，以及LLC架構(gòu)的氮化鎵快充產(chǎn)品中，可以實(shí)現(xiàn)更加精簡的外圍設(shè)計(jì)。目前納微半導(dǎo)體、英飛凌、意法半導(dǎo)體等廠商在這類合封氮化鎵芯片方面均有布局。
驅(qū)動(dòng)器+保護(hù)+GaN：納微半導(dǎo)體近期推出了新一代氮化鎵功率芯片NV6128，集成GaNFET、驅(qū)動(dòng)器和邏輯保護(hù)器件。將保護(hù)電路也加入氮化鎵器件中，通過整合開關(guān)管和邏輯電路，可得到更低的寄生參數(shù)以及更短的響應(yīng)時(shí)間。該芯片可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字輸入，功率輸出高性能，電源工程師可基于此設(shè)計(jì)出更快更小更高速的電源。
LLC架構(gòu)普及
LLC架構(gòu)屬于雙管半橋諧振，采用諧振電感、勵(lì)磁電感和諧振電容串聯(lián)，故名LLC。采用零電壓開關(guān)（ZVS）軟開關(guān)技術(shù)，具有工作頻率高、損耗小、效率高、體積小的優(yōu)點(diǎn)，可提高充電器功率密度。
LLC架構(gòu)諧振操作可實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍的軟開關(guān)，減小開關(guān)損耗，從而成為高頻和高功率密度設(shè)計(jì)的理想選擇，適合固定電壓輸出，EMI特性更好。尤其是應(yīng)用在多口輸出的大功率快充電源產(chǎn)品中，LLC架構(gòu)輸出固定電壓+二次降壓實(shí)現(xiàn)多口PD快充的方式，具有效率高、功率大的特點(diǎn)。
值得一提的是，LLC架構(gòu)配合GaN開關(guān)元件，還能夠有效降低驅(qū)動(dòng)開銷，降低導(dǎo)通損耗與關(guān)斷損耗，提升效率與工作頻率，進(jìn)一步提升充電器功率密度。
我們通過往期的近百款氮化鎵快充案例的拆解發(fā)現(xiàn)，在百瓦大功率快充產(chǎn)品中，目前已有安森美、NXP等品牌LLC控制器得到廣泛應(yīng)用；此外，英飛凌、MPS、矽力杰、TI等業(yè)界一流芯片廠商均已推出了適用于大功率快充的LLC控制器。
隨著快充功率的提升和二次同步整流降壓轉(zhuǎn)換器的成熟，為LLC架構(gòu)快充上的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。LLC架構(gòu)在大功率PD快充上取代了PFC+反激架構(gòu)，軟開關(guān)降低了開關(guān)損耗，同時(shí)搭配GaN和SiC第三代半導(dǎo)體元件，工作頻率得到大幅提高，可獲得更高的轉(zhuǎn)換效率和功率密度，逐漸成為大功率快充市場(chǎng)市場(chǎng)的新寵，有望在2021年實(shí)現(xiàn)全面普及。
更令人興奮的是，2021年氮化鎵快充將進(jìn)入數(shù)字時(shí)代。
蘋果推出氮化鎵快充
據(jù)媒體報(bào)道，納微半導(dǎo)體將在今年獲得蘋果基于GaN技術(shù)的快速充電訂單，臺(tái)積電將為納微半導(dǎo)體提供GaN芯片。這也就是說，2021年蘋果公司將會(huì)推出基于氮化鎵功率器件的大功率USBPD快充，與目前基于硅的充電器相比，該產(chǎn)品體積更小、重量更輕、更高效。
蘋果向來是科技行業(yè)的先行者，其推出的產(chǎn)品經(jīng)常會(huì)成為業(yè)界風(fēng)向標(biāo)。而這一次蘋果氮化鎵快充會(huì)給我們帶來哪些驚喜，從目前已知的信息來看，還很難聯(lián)想到具體產(chǎn)品。不過一旦蘋果氮化鎵快充推行市場(chǎng)，勢(shì)必對(duì)現(xiàn)有的氮化鎵上下游生態(tài)帶來重大利好，這其中就包括氮化鎵功率器件、氮化鎵控制器、快充協(xié)議芯片、生產(chǎn)制造工廠等。
封裝創(chuàng)新
追求小體積、高密度一直都是氮化鎵快充市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，不過除了依靠氮化鎵功率器件的性能提升產(chǎn)品功率密度之外，氮化鎵功率器件本身的封裝也呈現(xiàn)出不同的形式。目前市面上量產(chǎn)商用的有納微QFN5*6、QFN6*8封裝的小尺寸產(chǎn)品，也有英諾賽科、GaNSystems等廠商推出的散熱性能更好的DFN8*8封裝產(chǎn)品。
除此之外，隨著眾多廠商陸續(xù)入局，TO-252、TO-220、ThinPak8*8、QFN9*9等多種封裝形式的氮化鎵功率器件也相繼進(jìn)入市場(chǎng)。
值得注意的是，在2020（冬季）USBPD&Type-C亞洲展上，氮矽科技展出了其在氮化鎵功率器件的研發(fā)方面最新成果，創(chuàng)新性的推出了PDDFN4x4封裝的650V/160mΩ氮化鎵功率器件，成為業(yè)界最小封裝尺寸的氮化鎵功率器件。
據(jù)介紹，這款氮化鎵功率前采用ChipFaceDown（芯片焊盤面向下）封裝工藝，與傳統(tǒng)的WireBonding（WB焊線）封裝工藝相比，解決了氮化鎵器件襯底散熱慢的問題，同時(shí)創(chuàng)新的采用雙面散熱設(shè)計(jì)，提高器件的散熱性能。
器件最大厚度只有0.6mm，完全滿足電路板與外殼距離限制；4x4的超小面積便于印制板電路設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步減小充電頭體積。
平面變壓器普及
平面變壓器是業(yè)內(nèi)一直在嘗試使用的一種新型高頻鐵氧體電感元件。由于平面變壓器造型方正，適合于平面貼裝，方便設(shè)計(jì)，并可使各類型電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)輕薄小型化。與常規(guī)的變壓器相比，平面變壓器除了結(jié)構(gòu)體積上的優(yōu)勢(shì)之外，還具有電流密度高、效率高、漏感低、發(fā)熱量小，散熱性好等優(yōu)點(diǎn)。
平面磁學(xué)是一種多物理量的矢量表現(xiàn)形式，也是學(xué)術(shù)界一直創(chuàng)新研究的領(lǐng)域。使用平面變壓器是目前高頻高功率密度功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品中最經(jīng)濟(jì)的解決方案之一。
尤其是在近兩年的消費(fèi)類電源領(lǐng)域，隨著USBPD快充市場(chǎng)的爆發(fā)以及氮化鎵技術(shù)的成熟，高效率、高功率、小體積的電源產(chǎn)品成為了市場(chǎng)發(fā)展新風(fēng)向。平面變壓器也逐漸成為備受廣大工程師青睞的器件，并獲得眾多行業(yè)標(biāo)桿企業(yè)認(rèn)可，開始在PD快充、氮化鎵快充產(chǎn)品中大顯身手。
拆解數(shù)據(jù)顯示，目前華為、小米、三星、OPPO、vivo、聯(lián)想等眾多一線手機(jī)品牌、PC品牌均已經(jīng)在多款快充電源中導(dǎo)入平面變壓器，并配合開發(fā)了多款主流機(jī)型的inbox標(biāo)配充電器，以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度，讓配件更輕便、易攜帶。
平面變壓器是三星充電器中的?？?，從15W的三星AFC快充開始，就已經(jīng)大量導(dǎo)入平面變壓器，也開創(chuàng)了平面變壓器在快充上大規(guī)模商用的先河，可見三星對(duì)平面變壓器情有獨(dú)鐘。
華為也推出了多款內(nèi)置平面變壓器的超級(jí)快充充電器，從最新的66W超級(jí)快充拆解可見，內(nèi)置的平面變壓器只占據(jù)了整個(gè)PCB板模塊的四分之一不到，非常節(jié)省空間，最終讓充電器實(shí)現(xiàn)了更加緊湊的設(shè)計(jì)。
得益于內(nèi)部平面變壓器的采用，OPPO50W餅干氮化鎵快充實(shí)現(xiàn)了超薄的機(jī)身設(shè)計(jì)，整機(jī)厚度僅10mm，這也是傳統(tǒng)的繞線變壓器根本無法做到的。除了超薄的機(jī)身，平面變壓器還幫助這款充電器實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1.48W/cm？的功率密度，并成為高功率密度的標(biāo)桿。
在行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)以及眾多標(biāo)桿品牌的推動(dòng)下，平面變壓器開始被越來越多的第三方快充配件企業(yè)應(yīng)用在高密度快充電源產(chǎn)品中，市場(chǎng)需求量也日益增加。
中國企業(yè)經(jīng)過多年的努力，在平面變壓器領(lǐng)域取得了重大的進(jìn)展，使平面變壓器成本逐步趨于平民化，極具競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)及產(chǎn)業(yè)化潛力。
玩家增多
在氮化鎵快充市場(chǎng)不斷發(fā)展壯大的過程中，入局的玩家也逐漸增多。比如在最受關(guān)注的氮化鎵功率芯片方面，目前僅有5家品牌的氮化鎵芯片正式量產(chǎn)出貨并成功導(dǎo)入了終端產(chǎn)品，其中出貨量最大的三家廠商分別是納微、PI以及英諾賽科。而在我們最新的整理的氮化鎵芯片供應(yīng)商中，已有十余家國內(nèi)外氮化鎵芯片原廠推出了多達(dá)數(shù)十款氮化鎵芯片。
從表格中可以看到，全球范圍內(nèi)已有聚能創(chuàng)芯、東科半導(dǎo)體、氮矽科技、GaNsystems、鎵未來、量芯微、英諾賽科、英飛凌、納微、PI、意法半導(dǎo)體、Transphorm、能華、芯冠科技等14家氮化鎵快充芯片供應(yīng)商。
氮化鎵控制器方面，我們通過調(diào)研了解到，目前已有11家品牌推出了16款高頻控制器，拓?fù)浼軜?gòu)可分為AFC、QR以及LLC三種類型，滿足了USBPD標(biāo)準(zhǔn)下全功率范圍的產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求。
值得一提的是，國內(nèi)已有南芯半導(dǎo)、美思迪賽、亞成微、杰華特、必易微、矽力杰等多家電源芯片原廠布局了氮化鎵控制器產(chǎn)品線，并有多款基于國產(chǎn)控制器開發(fā)的氮化鎵快充方案幾近量產(chǎn)，極大豐富了快充電源廠商的選型需求。
手機(jī)廠商入局氮化鎵
我們統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2020年已經(jīng)有10家手機(jī)廠商推出了18款氮化鎵快充，華為、小米、OPPO、聯(lián)想、魅族、努比亞等主流廠商均位列其中，推出的產(chǎn)品種類也變得非常豐富。而小米、聯(lián)想、OPPO、realme、三星等品牌已經(jīng)將氮化鎵快充作為手機(jī)的標(biāo)配。氮化鎵快充市場(chǎng)一時(shí)間變得熱鬧非凡。
另據(jù)可靠消息顯示，蘋果將在2021年推出氮化鎵快充。相信在2021年，手機(jī)品牌的氮化鎵快充產(chǎn)品將會(huì)進(jìn)一步增加。
筆電廠商入局氮化鎵
除了手機(jī)廠商之外，筆電廠商今年來也陸續(xù)進(jìn)入氮化鎵快充市場(chǎng)，聯(lián)想、戴爾、LG等品牌均基于氮化鎵功率器件推出高效的大功率快充配件。這也將成為2021年氮化鎵快充市場(chǎng)的另一大趨勢(shì)。
聯(lián)想thinkplus65W迷你氮化鎵充電器延續(xù)了“口紅”造型設(shè)計(jì)，在氮化鎵的加持下，體積進(jìn)一步壓縮，而且配備可折疊插腳，小巧方便易于攜帶。USB-C口支持QC2.0、QC3.0和USBPD3.0快充，具備5V3A、9V3A、12V3A、15V3A、20V3.25A和5.00-11.0V/3A電壓檔位，可以輕松滿足手機(jī)、平板、筆記本等多種類型設(shè)備的快充需求。
DELL戴爾90W氮化鎵快充充電器基于納微GanFast氮化鎵芯片開發(fā)，外觀采用家族典型的扁平機(jī)身帶電源線設(shè)計(jì)風(fēng)格，額外配有一個(gè)USB-A接口。產(chǎn)品支持PD快充，具備5V3A、9V3A、15V3A、20V4.5A四組電壓檔位，支持90W和10W同時(shí)輸出，可以同時(shí)為筆記本和手機(jī)等兩臺(tái)設(shè)備進(jìn)行充電。
LG近期推出了一款筆記本電腦專用的氮化鎵快充充電器，內(nèi)置納微半導(dǎo)體GaNFast功率芯片，最大功率為65W。產(chǎn)品整體采用白色風(fēng)格，并自帶輸出USB-C輸出線纜，支持5V3A、9V3A、15V3A、20V3.25A四組電壓，以滿足不同電壓范圍的產(chǎn)品充電。
成本大幅降低
隨著入局氮化鎵快充市場(chǎng)的玩家不斷增多，實(shí)現(xiàn)氮化鎵快充的成本也在逐年下降。比如在GaN功率器件方面，英諾賽科產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)理鄒艷波先生在2020（冬季）USBPD＆Type-C亞洲展指出，目前氮化鎵快充的痛點(diǎn)主要表現(xiàn)在成本、產(chǎn)能、生態(tài)三個(gè)方面。
為此，英諾賽科配備了全球首條8英寸硅基氮化鎵生產(chǎn)線，并在蘇州建成了全球最大的集研發(fā)、設(shè)計(jì)、外延生產(chǎn)、芯片制造、測(cè)試等于一體的第三代半導(dǎo)體全產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)生產(chǎn)平臺(tái)，滿產(chǎn)后將實(shí)現(xiàn)月產(chǎn)8英寸硅基氮化鎵晶圓65000片，從根本上解決產(chǎn)能帶來的成本問題。
行業(yè)分析師預(yù)測(cè)，氮化鎵功率器件的成本將在2022年與傳統(tǒng)功率器件價(jià)格持平，到了2023年成本將更具優(yōu)勢(shì)。
此外，本土電源芯片廠商已在2020年12月完成了氮化鎵快充研發(fā)重大突破，三大核心芯片實(shí)現(xiàn)全國產(chǎn)，性能達(dá)到國際先進(jìn)水準(zhǔn)。并且國產(chǎn)半導(dǎo)體廠商可以充分發(fā)揮本土企業(yè)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步降低氮化鎵快充的成本，并推動(dòng)高密度快充電源的普及。
氮化鎵用于PFC電路
目前國內(nèi)功率在75W以上的開關(guān)電源強(qiáng)制要求加入PFC電路以提高功率因數(shù)，修正負(fù)載特性。在大功率快充普及的趨勢(shì)下，PFC電路也成為了百瓦大功率快充產(chǎn)品的必備。
PFC分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種。被動(dòng)式采用大電感串聯(lián)補(bǔ)償，主要缺點(diǎn)是體積大，且效率低。隨著近年來半導(dǎo)體器件迅猛發(fā)展，被動(dòng)式PFC被主動(dòng)式PFC全面取代。主動(dòng)式PFC采用PFC控制器、開關(guān)管、電感和二極管組成升壓電路，具有體積小，輸入電壓范圍寬，功率因數(shù)補(bǔ)償效果好的優(yōu)點(diǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)更高的效率，氮化鎵功率器件已經(jīng)開始在大功率快充產(chǎn)品的PFC電路中嶄露頭角，就我們拆解數(shù)據(jù)顯示，倍思100W2A2C氮化鎵快充、倍思120W氮化鎵快充、MOMAX100W氮化鎵快充、REMAX100W氮化鎵快充、尚巡120W氮化鎵充電器等產(chǎn)品均在前端PFC電路中應(yīng)用了氮化鎵功率器件。
