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GaN控制芯片在充电器领域的应用

海明观察 2021-09-01 08:00 次阅读
GaN凭借其优越的性能,成为第三代半导体材料中的一员,在半导体领域中备受关注。本期文章主要讲述目前国外主流GaN快充控制芯片,国产GaN快充控制芯片将在下一期文章中讲述。
GaN不同于一般的MOS管,氮化镓FET的横向结构中没有P-N结、体二极管,也没有反向恢复电荷(Qrr)。通过消除反向恢复损耗,氮化镓可以在硬交换拓扑中实现高效的高切换频率操作。从源头避免了损耗问题的出现,DS极之间双向导通,GaN与Si相比,GaN的禁带宽度是Si的三倍,临界击穿电场是Si的十倍,在工作频率方面GaN的开关工作频率有着显著的提升,功率的提升有助于降低成本,减小体积,加上GaN在功率输出方面较为突出,电路效率及开关频率方面都有不错的表现,GaN将会在快充领域成为中坚力量。
GaN在不断占据市场份额,据中信证券分析预测,2020年全球GaN充电器市场规模为23亿元,2025年将快速上升至638亿元,5年复合年均增长率高达94%。
部分厂商GaN控制芯片对比
目前已有多家公司布局市场,并推出GaN的快充控制芯片,例如:安森美德州仪器英飞凌等。在中美贸易战的大背景下,我国为实现国产化替代,国内厂商南芯、亚成微等,也相继推出GaN主控芯片。
通过以上统计,从电路拓扑来看主要分为三大类:ACF、LLC、QR。从驱动方面分为两类:可直接驱动和间接驱动。
ACF框架,ACF(全称:Active Clamp Flyback,中文:有源钳位反激)有源钳位反激电路在电路中主要是实现软开关的电路,通过ZVS(零压启动)和ZCS(零电流关断)实现开通或关断的功能减小开关损耗。
LLC框架,LLC是谐振电路,主要是谐振电感(L)、励磁电感(L)、谐振电容(C)串联组成LLC电路。同样使用ZVS技术,该电路特点:工作频率高、体积小、效率高、损耗小。
QR框架,准谐振反激式开关电源电路,本电路相较于前二者电路更为简单、方便调试、性价比也比较高。
主流芯片介绍
目前市场上应用较多的两款控制芯片:1、TI UCC28782 2、安森美 NCP1342
1、TI UCC28782
(UCC28782 电路拓扑 图片来源:TI官网)
UCC28782是一颗应用于Type-C PD的高密度有源钳位反激控制芯片,能够在很大的工作区间内自动调节实现ZVS,功率能达93%以上。该芯片的频率是可调的,最大频率为1.5MHz。集成Boost自供电电路,支持频率抖动以降低EMI电磁干扰。自我调节模式、低功耗模式和备用电源模式同时工作能够提高轻载效率,降低纹波和噪音。该芯片还集成了X电容,在停止充电时释放电压。
对PWML和PWMH之间的死区时间进行了最佳调整,以帮助最小化ZVS所需的循环能量。因此,在软开关拓扑的大规模生产中,可以显著提高系统整体的效率,并获得更一致的效率。RTZ、RDM、BUR、IPC和SETP脚的编程特性提供了丰富的灵活性,以优化在输出功率和操作频率级别范围内的功率级效率。
UCC28782还集成了更强大的保护功能,以最大限度地提高系统的可靠性和安全性。这些功能包括主动X电容器放电、内部软启动、输出过电压(OVP)、输入线路过电压(IOVP)、输出过功率(OPP)、系统过温(OTP)、开关过电流(OCP)、输出短路保护(SCP)和引脚故障。该控制器为OVP、OPP、OTP、OCP和SCP故障提供了自动恢复和闭锁响应选项。
该芯片集成了很多功能,有效降低外部元器件数量及尺寸大小,提高了性价比和便携性。使用该芯片的主要充电器有:realme 50W mini闪充氮化镓充电器。
2、安森美 NCP1342
(NCP1342 电路拓扑 图片来源:安森美官网)
NCP1342利用当前的QR框架实现了一个准谐振反激转换器,其中开关的关闭由峰值电流决定。该集成电路是一个理想的候选方案,其中低零件数和成本效益是关键原因,特别是在交流—直流适配器,开放的框架电源等,NCP1342集成了现在电源设计中通常需要的所有必要组件,带来了一些增强,如非功耗过功率保护(OPP)、断电保护和变频管理,以优化整个功率范围内的效率。考虑到极低的备用功率需求,控制器具有最小的电流消耗,并包括一个自动X2电容器放电电路,消除了在X2输入电容器上安装功率消耗电阻的需要。

(NCP1342 Demo 图片来源:安森美官网)
NCP1342采用的是高频QR的框架,据公开信息显示,对市面上131款GaN快充充电器进行拆解其中使用QR框架的产品占比高达七成以上,虽然LLC电路以高效,高功率的特点备受工程师青睐,但是占比仅有一成左右。NCP1342之所以能在GaN快充控制芯片领域中广泛的应用与其框架息息相关。使用该芯片的主要充电器有:魅族65W氮化镓快充、倍思65W氮化镓快充。
这两款芯片都没有内置驱动器,需要在电路中搭载驱动芯片。在电路方面NCP1342比UCC28782更为简洁,能有效地控制成本。在芯片封装方面NCP1342有SOIC-8和SOIC-9两种供工程师选择,而UCC28782只有WQFN-24一种。在调试方面,因为封装的问题,NCP1342引脚外置对工程师调试过程更为友好。
(NCP1342 SOIC-8 SOIC-9 图片来源:安森美官网)
(UCC28782 WQFN-24 图片来源:TI官网)
总结
GaN的出现推动了电源行业的发展,快充功率从30W到120W不等。从目前市面来看,主流的氮化镓快充输出功率为65W。国产企业研发的主控芯片相继推出市场,氮化镓快充的成本将会降低,也更会被消费者接受。

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