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 9

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近兩年來，基于氮化鎵（GaN）的快充產品以其優(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事業(yè)部的專家分享了充電器市場的發(fā)展趨勢，并詳細解析了其CoolGaN IPS系列產品的特色以及英飛凌的一站式USB Type-C解決方案。

手機快充滲透率快速增長，功率已上到200W

隨著智能手機的處理器性能越來越強，再加上5G、高刷新屏的應用，使得智能手機的功耗越來越大，這在電池技術未有重大突破的前提下，對于智能手機的續(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，眾多的智能手機廠商紛紛推出大功率的快充技術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 2018、2019年手機充電器平均功率為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一步加速提升。比如華為Mate40 Pro就配備了66W快充，小米10*紀念版手機、iQOO 5 Pro則都配備了高達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。根據小米實驗室數據，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協會更新了v2.1版本USB Type-C線纜和接口標準。在充電方面，USB PD 3.1快充標準也迎來了重大更新，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計，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，并打破了兩項手機充電紀錄，4000mAh的電池，200W有線8分鐘即可充滿、120W無線15分鐘即可充滿。

而手機快充功率能夠提高的如此之快，這背后一方面是快充技術標準的提升，另一方面則是得益于第三代半導體GaN（氮化鎵）器件的成熟。

英飛凌電源與傳感系統事業(yè)部應用市場經理盧柱強也表示，目前充電器的技術和市場趨勢正朝著大功率、體積更小更輕薄、更通用（統一的Type-C接口，一個充電器就能支持全部產品的供電和充電）、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路徑，一種是主要通過提高電壓來達到高電流高功率充電，另一種是通過低電壓高電流來實現高速充電，但是不論哪種技術路徑，要實現更高的充電功率，都需要用到同步整流MOS管，以提高轉換效率，降低發(fā)熱量。而相對于傳統的硅基MOS管來說，GaN mos管可以實現更高開關速度和更高的效率、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器件的導通電阻比硅器件低1000倍左右，這大大降低了開關的導通損耗，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開關工作頻率可比硅器件高數十倍左右。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事業(yè)部應用市場經理盧柱強也表示，與傳統的硅器件相比，GaN器件的開關頻率越高，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，降低總體的系統成本，同時散熱也能夠得到進一步控制。

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

根據英飛凌的數據，目前GaN器件在單位功率上已經能夠達到硅器件的200%。更大的單位功率能夠使得充電器內部能夠節(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配的65W充電器的50%。

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

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技術的成熟及相關產品滲透率的提升，單位功率的總擁有成本的優(yōu)勢正越來越明顯。

根據中信證券的市場分析，預計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年復合增長率高達94%。

發(fā)力快充市場，英飛凌推出全新CoolGaN IPS系列產品

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

據英飛凌電源與傳感系統事業(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，就已經有客戶量產使用了，其中包含國內跟海外的客戶，過去這兩三年來，已經有更多的客戶批量使用，應用的領域也在不斷擴大。

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）產品 CoolGaN IPS 系列產品，進一步拓展其GaN功率元件組合。

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

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據盧柱強介紹：“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，所以把驅動IC和開關器件集成在一起，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計。當然，由于寄生參數的減少，也會有利于頻率的提高，外圍器件數量減少，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動之間的距離不可控，產生的一些可靠性和設計難度的問題。我們的IPS產品就是基于這么一個背景和理念而來。我們現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系列產品的內部框圖和架構

具體來看，全新推出的CoolGaN IPS系列產品具有以下五大亮點：

1、低至47ns的時延，支持1MH2高頻開關，死區(qū)控制更準確，半橋控制一致性更好；2、外部可配置驅動RC網絡，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、無磁芯變壓器驅動，氣隙隔離更安全，1A/2A驅動能力更強；5、輸入/輸出級功能絕緣：a.數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快充充電器參考設計板。

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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年前就已經量產的CoolGaN系列GaN開關管產品，以及最新推出的基于GaN的CoolGaN IPS系列集成功率級產品之外，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。

根據英飛凌公布的數據顯示，旗下的賽普拉斯擁有超過15年的USB方案經驗以及5年的USB Type-C方案經驗，是全球*大USB控制芯片供應商。截至2020年，賽普拉斯已累計出貨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品組合，已經涵蓋了功率級、原邊、副邊，還有控制器、協議、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品的公司。

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