前言
减小充电器体积、提高功率密度始终是快充行业追求的方向。传统的多芯片设计整体走线冗长复杂,难以实现整机体积的极致压缩。因此,从最初的分立式控制到氮化镓合封,工程师们不断探索集成度更高的解决方案,更大限度发挥氮化镓器件的性能优势。南芯科技也同心共进,从 SC302x 到 SC305x,再到去年发布的国内首个全集成反激方案 POWERQUARK®,助力客户将更高集成度的快充产品快速推向市场。
南芯POWERQUARK®系列全集成芯片将器件极致集成,减少充电器外围元件数量,具备开发周期短,产品性价比高的优势。次级软开关技术降低了开关损耗,提高了转换效率,搭配同步整流,提升整体效率,降低散热要求。并且内置高速数字隔离通信,无需光耦,可靠性更高。
分立式控制:冗余的外围电路
2019年前后,氮化镓材料凭借更加优异的性能,快速渗透消费类快充市场,实现了广泛应用。当时的技术尚不成熟,为了应对种种“水土不服”,最传统的思路便是添加外围电路。
快充应用和氮化镓功率器件的特性提升了外围电路的复杂度。针对供电电路,快充应用的输出电压范围较宽,传统使用双绕组供电或线性稳压的方法外围器件数量多,线路复杂,BOM 成本高。针对驱动电路,在氮化镓用于 PD 快充之前,反激控制器以驱动 MOS 为主,驱动钳位电压一般为11V左右,而E-mode氮化镓需要更低且稳定的驱动电压才能可靠运行,因此需要增加驱动钳位电路以兼容氮化镓驱动。
光是解决供电问题和驱动问题,所需的外围器件就多达16颗,冗余的器件让工程师很难实现极致体积及性价比产品设计。
SC302x:核心专利减少外围器件
面对客户遇到的氮化镓快充外围电路复杂的痛点,南芯科技于2020年迅速量产了SC302x系列芯片,同比当时的传统方案可减少10颗左右的外围器件。
图1:SC302x 减少氮化镓快充外围电路的器件数量
(a) 传统供电电路;(b) 使用 SC302x 的供电电路;(c) 传统驱动电路;(d) 使用 SC302x 的驱动电路
SC302x针对氮化镓的供电电路和驱动电路拥有两项核心专利技术,将过往的应用难点逐一击破。其中,SC3023x专有的GaN直驱设计,可以省去外置驱动器或分立驱动器件;集成分段式供电模式和单绕组供电无需复杂的供电电路。此外,这颗芯片还内置了高压启动及交流输入Brown In/Out功能,集成了X-cap放电功能,能满足各类快充应用的需求。
SC305x:初级氮化镓合封
尽管SC302x有效降低了外围器件的数量,但还不是一个高度集成方案。为了进一步提升系统集成度,南芯科技推出了进化版的SC305x系列芯片,将高性能多模式反激控制器、氮化镓驱动、氮化镓开关管、供电和保护等初级侧电路集成在一颗散热增强的芯片内部。通过合封来简化外部元件数量,并消除传统驱动走线寄生参数对高频开关的影响。
此外,SC305x系列芯片采用了功率走线和控制走线分开的设计,降低高频开关对控制回路的影响,并通过优化的焊盘设计,优化充电器走线设计和电气性能,简化设计开发,助力实现小体积高效率的氮化镓快充设计。
图2:南芯科技 SC3057 氮化镓合封芯片
POWERQUARK:快充设计的终极集成方案
既然能够把初级侧的电路进行合封,是否可以把次级侧的芯片功能也集成到一起,实现功率更高的方案呢?南芯科技去年推出的POWERQUARK系列产品便实现了这一想法。
基于南芯自研的全集成封装技术,POWERQUARK具有业界领先的高集成度,成功将原边控制器、高压GaN、隔离通讯、次级SR控制器和协议这五种独立功能集成到同一颗芯片,大大简化了电路结构。此外,POWERQUARK还使用了高速、高可靠性的隔离数字通讯替代了传统的隔离光耦,大幅减少外围元器件数量,仅用一颗芯片和一个同步整流开关管即可实现电路功能,充电器体积相比上一代方案最多可减少30%。
高集成度也带来了更高的效率。南芯科技推出了一款标准化的65W参考设计,功率密度高达2.23W/cm³。如下图所示,高压满载时,POWERQUARK的转换效率可达到95%。该参考设计还支持PD2.0/PD3.0、FC2.0/FC3.0、FCP、SCP、UFCS等多种快充协议,大大简化用户开发成本。
图3:POWERQUARK 参考设计在不同输入电压和负载情况下的效率
充电头网总结
氮化镓技术在消费类电源产品中大规模商用,使得充电器的效率得到优化,体积大幅降低,便携性更好,因而深受消费者青睐。目前各大手机、笔电品牌均已经入局了氮化镓快充市场,加上国家十四五计划对第三代半导体技术的扶持,氮化镓快充市场前景十分可观。
南芯科技以提高集成度为主线,针对氮化镓不断推出高集成方案,通过SC302x系列减少外围器件的数量,SC305x系列进一步提升系统集成度,最后POWERQUARK系列实现终极集成,将次级侧的芯片功能也全部集成到一起,助力客户快速开发出体积更小、性能更强的快充产品。
快充行业的故事在近几年迎来了高速发展的篇章。南芯科技始终与客户同频,共同书写技术发展的未来。POWERQUARK 以卓越的集成度开启了快充的新世代,将简化客户的开发周期和难度,共同提升消费者的使用体验。
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