氮化镓(GaN)在快速充电器市场的应用机遇和设计挑战

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今年CES上展出了几十款基于氮化镓(GaN)的快充充电器，最近小米推出的65W GaN充电器更是将氮化镓充电器往主流市场大大推动了一把，各大手机厂商和独立品牌充电器商家也纷纷发布基于氮化镓(GaN)的充电器产品。采用氮化镓(GaN)器件的便携式充电器以体积小、重量轻、充电速度快等特点受到了消费者的青睐，大有替代传统充电器的趋势。
正如充电器厂商Anker的首席执行官Steven Yang（阳萌）所言，通过使用GaN技术，我们能够为市场提供更为紧凑、轻巧的大功率输出USB PD充电器。利用这一创新的技术，所有移动设备都可以实现更快速充电的目标。
然而，氮化镓(GaN)作为一种新型的半导体器件也有其自身的缺点，比如制造成本仍然偏高，优于硅材料的高频特性也会带来一系列新的设计问题。氮化镓(GaN)厂商在把握这一新兴市场巨大增长的同时，也要应对诸多氮化镓(GaN)器件的设计挑战。

GaN市场增长预测

氮化镓(GaN)是一种第三代半导体器件，近年来逐渐进入电源应用领域。氮化镓(GaN)器件可分为分离器件和集成器件两大类，其中分离器件主要包括增强模式(E-Mode) GaN晶体管和耗尽模式(D-Mode) GaN晶体管，代表厂商包括松下、EPC、英飞凌、安森美、GaN系统和Transphorm等。集成器件又分为系统级封装集成和系统级芯片集成，代表厂商包括TI、EPC、英飞凌、纳微(Navitas)、Power Integrations(PI)和dialog等。

                               
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图1：GaN器件的主要分类及代表厂商。（来源：Yole）
根据Yole对GaN应用的细分市场预测，从2019年开始，GaN在电源应用领域开始快速增长，预计到2022年将超过2亿美元，其中移动设备快充充电器是其主要驱动力。

                               
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图2：GaN器件的主要应用市场增长及规模，其中非汽车的电源应用增长最快。（来源：Yole）


基于GaN器件的手机充电器设计实例

GaN器件供应商Power Integrations公司(PI)与台湾伟诠电子(Weltrend)合作开发了一个手机充电器参考设计，这款45 W的充电器支持USB PD 3.0，具有3.3 V - 16 V的可编程供电(PPS)特性。其输入电压范围为85 VAC – 264 VAC，输出包括：5 V, 3 A; 9 V, 3 A; 15 V, 3 A; 20 V, 2.25 A；以及3.3V – 16V PPS。

                               
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图3：基于GaN器件的手机充电器内部结构实物图。（来源：PI/Weltrend）
该充电器设计采用PI的氮化镓器件InnoSwitchTM3-Pro控制器，以及Weltrend WT6635P USB PD控制器，具有很高的功率密度和效率。其中InnoSwitch3-Pro是一种数字可控的恒压/恒流QR反激式开关器件，内置高压MOSFET驱动器，可实现同步整流和FluxLink反馈，并且满足DOE6和CoC V5 2016效率规范要求(边际效率>1%)。USB PD控制器WT6635P则可以支持USB PD3.0和可编程供电输出，且具有输出过压和过流保护功能。

                               
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图4：基于GaN器件的手机充电器母板电路图，其中标红的为PI InnoSwitchTM3-Pro控制器。（来源：PI/Weltrend）

                               
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图5：基于GaN器件的手机充电器子板电路图，其中标红的为Weltrend WT6635P USB PD控制器。（来源：PI/Weltrend）


氮化镓相对于传统硅器件的优点

作为一种宽禁带半导体，氮化镓的很多优异物理特性使其特别适用于电力电子系统。相比传统的硅器件，氮化镓器件能工作在更高的开关频率，提升功率密度，从而带来系统整体体积和重量的减小。此外，因为更小的导通电阻和寄生电容，使用氮化镓器件的系统能减少导通及开关损耗，提升系统效率，更加节能环保。
充电器（尤其是PD充电器）制造商正在寻求小尺寸/高功率密度的解决方案，要求充电器具有非常高的效率，否则会因为使用体积较大的散热片而浪费空间。虽然高效的硅晶体管具有较低的RDS(on)，但无法同时兼顾尺寸和耐用性，需要在两者之间进行权衡。由于击穿电压和开关损耗之间的关系比较复杂，因此很难在采用硅晶体管的紧凑型封装中同时实现高电气强度和高效率。Power Integrations公司营销副总裁Doug Baileybshi，为达到好的效果，许多高效系统的设计人员采用600 V MOSFET，或者增加昂贵的MOV来保护它们脆弱的开关。而PI的750 V PowiGaN氮化镓晶体管具有非常低的COSS，因此可以减小封装尺寸并在各种负载范围内轻松实现94％以上的效率，同时保持极高的可靠性。

                               
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氮化镓充电器的尺寸比传统的基于硅的充电器小30-50％，具体取决于整体输出功率。由于整体系统效率高达95％，在相同尺寸和相同输出功率的情况下，外壳温度将比传统充电器更低。此外，氮化镓充电器使用较小的变压器和较小的机械散热器或其他散热辅助装置，整体重量可减少15-30％。

                               
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GaN充电器的市场增长阻力

由于在效率、尺寸和可靠性方面具有显著优势，氮化镓是适用于30 W以上USB PD充电器的理想选择。30 W以上PD充电器市场非常庞大，包括笔记本电脑、平板电脑、高端智能手机、工业、商业和消费类电子设备以及售后配件等。因为这种USB PD充电器比起传统充电器的功率瓦数要高，若用传统架构, 体积较难缩小。GaN器件能达成轻、薄、短、小的电源产品设计。很多厂商和市调机构都看好氮化镓器件在PD充电器市场的增长潜力，据 Yole Research预测，今年GaN电源目标市场约为9000万美元，2021年约为1.6亿美元，2022年将增长到2.4亿美元。
但是，GaN毕竟是新材料和新技术，要大规模推广应用以体现其优势，还面临着一定的困难和挑战。英飞凌电源管理及多元化市场事业部大中华区开关电源应用高级市场经理陈清源总结出一下几点：
（1）可靠性。目前氮化镓器件的行业标准还没有发布，业内对其失效模型还在摸索与验证中，各厂家现在都是在硅(Si)标准基础上自己做可靠性方面的把控，对GaN的失效机理研究还在逐步推进中。
（2）产业链成熟度。对于新产品，产业的成熟度有待完善才能更好地满足充电器的市场容量需求。而且各家的GaN产品封装兼容性也有待进一步提升。
（3）成本。对大部分充电器厂家来说，采用GaN设计还面临着较大的成本压力，这包括GaN器件本身以及系统层面的总体成本。如果不能把功率密度做到极致，其实就体现不出GaN的优势
（4）应用成熟度。GaN作为开关器件应用在电源中还是比较新的，工程师们对GaN的设计与调试经验还处于积累过程中。

                               
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氮化镓充电器的设计挑战

在采用氮化镓的设计中，必须要利用好其高频特性才有意义。换言之，就是要大幅度提高频率，才能更好地发挥GaN的价值。而频率的大幅度提高，会给设计带来很多问题，如系统热设计、EMI处理、合适的磁性材料、PCB布局，以及其它寄生参数在高频下带来的不确定性等。总的来说，如何在大幅度提高频率的同时，避免过多效率损失，并平衡系统可靠性、EMI合规、成本和可制造性，这些都需要经验丰富的工程团队进行PCB布局和滤波器设计，也是工程师智慧的具体体现。
苏州量微半导体(GaNPower)联合创始人兼总经理傅玥认为，氮化镓器件充电器设计挑战主要包括：
1.系统拓扑结构（QR、ACF及LLC）。不同的拓扑结构有不同的控制及驱动方面的挑战，而且氮化镓器件更快的开关速度也对PCB走线设计提出了更高的要求；
2.高频下的EMI问题。如何优化设计才能达到传导和辐射EMI测试要求；
3.氮化镓器件驱动（集成驱动/分离器件）。因为氮化镓器件的驱动比硅器件要求更高，需要应对驱动所带来的各种挑战；
4.器件封装设计及（单/双面）散热的要求；
5.器件及系统可靠性。

                               
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PI的Doug Baileybshi进一步解释说，客户希望从氮化镓技术中受益，但又不想花费时间学习如何驱动氮化镓晶体管。PI就将完整的开关电源IC方案所需的关键元件都封装在一个芯片上，就是PowiGaN InnoSwitch 3系列恒压/恒流离线反激开关电源IC。该器件采用外形小巧、大爬电距离且符合安规的InSOP-24D封装。


GaN器件对外围电路的特殊要求

在充电头设计中，GaN作为开关器件，需要依赖合适的主控方案和外围器件才能体现其优势。根据不同的拓扑结构（QR、ACF或是LLC），需要配置相应的控制芯片（模拟或者数字控制都有可能）。无论哪种结构，它们都要把频率推高，因此能配合高频应用的磁性材料和其它低寄生参数的器件就很有必要了。
目前市面上采用GaN器件的USB PD充电器几乎都采用伟诠电子的USB PD控制芯片，以支持各种充电协议和不同的输出电压/电流规格，并提供可靠的输出保护。伟诠电子与多家领先的GaN器件厂商皆有合作，共同推出了多款GaN架构的USB PD充电器参考设计。伟诠电子董事长特助林崇焘表示，高频特性、驱动电路和PCB布局皆须特别注意。如果使用氮化镓分离器件，那驱动芯片也需要专门针对氮化镓设计的芯片。有些GaN器件厂商的设计内置驱动器, 跟PWM 控制器搭配的电路就跟MOSFET 类似。而没有内置驱动器的GaN FET, 需采用外部零件做驱动器, 在电路设计与验证上可能就更加困难。

                               
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纳微(Navitas)中国区销售总监李文辉表示，传统基于硅的PWM控制器一般在60-80kHz的范围内运行，而GaN器件可以在1MHz的范围内运行。通常它需要一个额外的栅极驱动器，以便在短时间内打开和关闭GaN器件。纳微的GaN PowerIC集成了这种栅极驱动器，可以简化高速操作中的设计。

                               
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GaN器件的制造工艺问题

半导体行业至少用了50年的时间来不断完善硅器件。而氮化镓是一项相对较新的技术，许多大公司感到引入氮化镓产品极具挑战性。GaN功率开关器件还处于起步阶段，生产制程上还有一些约束，如GaN外延与衬底的晶格匹配精度不理想，外延层受拉力太大容易破裂而导致整个晶圆报废等。
因此，产品可靠性、制程成熟度和产品良率需要进一步提升，才能实现GaN器件成本的逐步下降，推动广泛的应用。此外，未来几年GaN依然是以6”或8”晶圆制程为主， 12”晶圆的生产线还有待工艺技术的进一步完善。
苏州量微的傅玥认为，GaN器件工艺上主要有如下难点：
1, 硅基板带来的晶格及热失配；
2. 实现常关型器件所需要的p-GaN工艺及阈值电压的问题；
3. 如何从工艺设计上减轻电流崩塌/动态电阻效应；
4. 如何实现不同的器件(电阻、电容和二极管等）的单片工艺整合；
5. 如何提高芯片一致性，良品率及降低成本等。


GaN充电器的未来展望

伟诠的观点是，在GaN充电器普及之前，售后市场(after-market)的充电器厂商因要塑造品牌形象并做出产品特色与差异化, 对GaN 的接受度会比较高。但移动设备OEM厂商对成本控制比较严格，其设备标配(in-box)充电器要在短期内采用GaN还不太容易。不过，当GaN制造工艺和设计渐趋成熟，质量与良率更趋稳定，成本更能被OEM厂商所接受时，GaN在大功率充电器应用将有机会取代硅器件。
英飞凌将在今年推出集成了驱动电路的单管和半桥GaN产品，包括70mΩ和190mΩ两种规格，为高功率密度充电器提供先进的GaN器件。英飞凌的数字电源（XDP）平台通过优化软件配置，可以平滑升级至更高频率的工作模式，从而支持GaN的各种应用。
量微认为GaN可以使用软开关的拓扑结构来最大程度地利用氮化镓的优势。LLC拓扑结构在GaN充电器上有独特的优势，能实现频率和效率的大幅提升。使用LLC设计可以实现从30瓦到300瓦的氮化镓充电系统。
纳微认为，随着智能手机内置电池组的功率越来越大，以及电池材料的技术进步，设备可以在相同的充电时间段内吸收更多的功率，即65W或更高。轻巧的PD充电器无疑是便携式/移动应用的市场趋势。Navitas GaN PowerIC采用增强模式（正常关闭），不需要额外的MOSFET，它可以使芯片尺寸更小。此外，借助集成的栅极驱动器，它可以高达1MHz的频率运行。
PI已经交付了超过500万颗PowiGaN芯片，现已成为全球最大的高压氮化镓器件提供商之一。 其基于PowiGaN技术的InnoSwitch3器件已经被Anker等充电器厂商广泛采用。

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