今年CES上展出了幾十款基於氮化鎵(GaN)的快充充電器，最近小米推出的65W GaN充電器更是將氮化鎵充電器往主流市場大大推動了一把，各大手機廠商和獨立品牌充電器商家也紛紛發佈基於氮化鎵(GaN)的充電器產品。採用氮化鎵(GaN)器件的便攜式充電器以體積小、重量輕、充電速度快等特點受到了消費者的青睞，大有替代傳統充電器的趨勢。
正如充電器廠商Anker的首席執行官Steven Yang(陽萌)所言，通過使用GaN技術，我們能夠為市場提供更為緊湊、輕巧的大功率輸出USB PD充電器。利用這一創新的技術，所有移動設備都可以實現更快速充電的目標。
然而，氮化鎵(GaN)作為一種新型的半導體器件也有其自身的缺點，比如製造成本仍然偏高，優於硅材料的高頻特性也會帶來一系列新的設計問題。氮化鎵(GaN)廠商在把握這一新興市場巨大增長的同時，也要應對諸多氮化鎵(GaN)器件的設計挑戰。
GaN市場增長預測
氮化鎵(GaN)是一種第三代半導體器件，近年來逐漸進入電源應用領域。氮化鎵(GaN)器件可分為分離器件和集成器件兩大類，其中分離器件主要包括增強模式(E-Mode) GaN晶體管和耗盡模式(D-Mode) GaN晶體管，代表廠商包括松下、EPC、英飛凌、安森美、GaN系統和Transphorm等。集成器件又分為系統級封裝集成和系統級芯片集成，代表廠商包括TI、EPC、英飛凌、納微(Navitas)、Power Integrations(PI)和dialog等。
圖1：GaN器件的主要分類及代表廠商。(來源：Yole)
根據Yole對GaN應用的細分市場預測，從2019年開始，GaN在電源應用領域開始快速增長，預計到2022年將超過2億美元，其中移動設備快充充電器是其主要驅動力。
圖2：GaN器件的主要應用市場增長及規模，其中非汽車的電源應用增長最快。(來源：Yole)
基於GaN器件的手機充電器設計實例
GaN器件供應商Power Integrations公司(PI)與臺灣偉詮電子(Weltrend)合作開發了一個手機充電器參考設計，這款45 W的充電器支持USB PD 3.0，具有3.3 V - 16 V的可編程供電(PPS)特性。其輸入電壓範圍為85 VAC – 264 VAC，輸出包括：5 V, 3 A; 9 V, 3 A; 15 V, 3 A; 20 V, 2.25 A;以及3.3V – 16V PPS。
圖3：基於GaN器件的手機充電器內部結構實物圖。(來源：PI/Weltrend)
該充電器設計採用PI的氮化鎵器件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是一種數字可控的恆壓/恆流QR反激式開關器件，內置高壓MOSFET驅動器，可實現同步整流和FluxLink反饋，並且滿足DOE6和CoC V5 2016效率規範要求(邊際效率>1%)。USB PD控制器WT6635P則可以支持USB PD3.0和可編程供電輸出，且具有輸出過壓和過流保護功能。
圖4：基於GaN器件的手機充電器母板電路圖，其中標紅的為PI InnoSwitchTM3-Pro控制器。(來源：PI/Weltrend)
圖5：基於GaN器件的手機充電器子板電路圖，其中標紅的為Weltrend WT6635P USB PD控制器。(來源：PI/Weltren
氮化鎵相對於傳統硅器件的優點
作為一種寬禁帶半導體，氮化鎵的很多優異物理特性使其特別適用於電力電子系統。相比傳統的硅器件，氮化鎵器件能工作在更高的開關頻率，提升功率密度，從而帶來系統整體體積和重量的減小。此外，因為更小的導通電阻和寄生電容，使用氮化鎵器件的系統能減少導通及開關損耗，提升系統效率，更加節能環保。
充電器(尤其是PD充電器)製造商正在尋求小尺寸/高功率密度的解決方案，要求充電器具有非常高的效率，否則會因為使用體積較大的散熱片而浪費空間。雖然高效的硅晶體管具有較低的RDS(on)，但無法同時兼顧尺寸和耐用性，需要在兩者之間進行權衡。由於擊穿電壓和開關損耗之間的關係比較複雜，因此很難在採用硅晶體管的緊湊型封裝中同時實現高電氣強度和高效率。Power Integrations公司營銷副總裁Doug Baileybshi，為達到好的效果，許多高效系統的設計人員採用600 V MOSFET，或者增加昂貴的MOV來保護它們脆弱的開關。而PI的750 V PowiGaN氮化鎵晶體管具有非常低的COSS，因此可以減小封裝尺寸並在各種負載範圍內輕鬆實現94%以上的效率，同時保持極高的可靠性。
氮化鎵充電器的尺寸比傳統的基於硅的充電器小30-50%，具體取決於整體輸出功率。由於整體系統效率高達95%，在相同尺寸和相同輸出功率的情況下，外殼溫度將比傳統充電器更低。此外，氮化鎵充電器使用較小的變壓器和較小的機械散熱器或其他散熱輔助裝置，整體重量可減少15-30%。
GaN充電器的市場增長阻力
由於在效率、尺寸和可靠性方面具有顯著優勢，氮化鎵是適用於30 W以上USB PD充電器的理想選擇。30 W以上PD充電器市場非常龐大，包括筆記本電腦、平板電腦、高端智能手機、工業、商業和消費類電子設備以及售後配件等。因為這種USB PD充電器比起傳統充電器的功率瓦數要高，若用傳統架構, 體積較難縮小。GaN器件能達成輕、薄、短、小的電源產品設計。很多廠商和市調機構都看好氮化鎵器件在PD充電器市場的增長潛力，據 Yole Research預測，今年GaN電源目標市場約為9000萬美元，2021年約為1.6億美元，2022年將增長到2.4億美元。
但是，GaN畢竟是新材料和新技術，要大規模推廣應用以體現其優勢，還面臨著一定的困難和挑戰。英飛凌電源管理及多元化市場事業部大中華區開關電源應用高級市場經理陳清源總結出一下幾點：
(1)可靠性。目前氮化鎵器件的行業標準還沒有發佈，業內對其失效模型還在摸索與驗證中，各廠家現在都是在硅(Si)標準基礎上自己做可靠性方面的把控，對GaN的失效機理研究還在逐步推進中。
(2)產業鏈成熟度。對於新產品，產業的成熟度有待完善才能更好地滿足充電器的市場容量需求。而且各家的GaN產品封裝兼容性也有待進一步提升。
(3)成本。對大部分充電器廠家來說，採用GaN設計還面臨著較大的成本壓力，這包括GaN器件本身以及系統層面的總體成本。如果不能把功率密度做到極致，其實就體現不出GaN的優勢
(4)應用成熟度。GaN作為開關器件應用在電源中還是比較新的，工程師們對GaN的設計與調試經驗還處於積累過程中。
氮化鎵充電器的設計挑戰
在採用氮化鎵的設計中，必須要利用好其高頻特性才有意義。換言之，就是要大幅度提高頻率，才能更好地發揮GaN的價值。而頻率的大幅度提高，會給設計帶來很多問題，如系統熱設計、EMI處理、合適的磁性材料、PCB佈局，以及其它寄生參數在高頻下帶來的不確定性等。總的來說，如何在大幅度提高頻率的同時，避免過多效率損失，並平衡系統可靠性、EMI合規、成本和可製造性，這些都需要經驗豐富的工程團隊進行PCB佈局和濾波器設計，也是工程師智慧的具體體現。
蘇州量微半導體(GaNPower)聯合創始人兼總經理傅玥認為，氮化鎵器件充電器設計挑戰主要包括：
1.系統拓撲結構(QR、ACF及LLC)。不同的拓撲結構有不同的控制及驅動方面的挑戰，而且氮化鎵器件更快的開關速度也對PCB走線設計提出了更高的要求;
2.高頻下的EMI問題。如何優化設計才能達到傳導和輻射EMI測試要求;
3.氮化鎵器件驅動(集成驅動/分離器件)。因為氮化鎵器件的驅動比硅器件要求更高，需要應對驅動所帶來的各種挑戰;
4.器件封裝設計及(單/雙面)散熱的要求;
5.器件及系統可靠性。
PI的Doug Baileybshi進一步解釋說，客戶希望從氮化鎵技術中受益，但又不想花費時間學習如何驅動氮化鎵晶體管。PI就將完整的開關電源IC方案所需的關鍵元件都封裝在一個芯片上，就是PowiGaN InnoSwitch 3系列恆壓/恆流離線反激開關電源IC。該器件採用外形小巧、大爬電距離且符合安規的InSOP-24D封裝。
GaN器件對外圍電路的特殊要求
在充電頭設計中，GaN作為開關器件，需要依賴合適的主控方案和外圍器件才能體現其優勢。根據不同的拓撲結構(QR、ACF或是LLC)，需要配置相應的控制芯片(模擬或者數字控制都有可能)。無論哪種結構，它們都要把頻率推高，因此能配合高頻應用的磁性材料和其它低寄生參數的器件就很有必要了。
目前市面上採用GaN器件的USB PD充電器幾乎都採用偉詮電子的USB PD控制芯片，以支持各種充電協議和不同的輸出電壓/電流規格，並提供可靠的輸出保護。偉詮電子與多家領先的GaN器件廠商皆有合作，共同推出了多款GaN架構的USB PD充電器參考設計。偉詮電子董事長特助林崇燾表示，高頻特性、驅動電路和PCB佈局皆須特別注意。如果使用氮化鎵分離器件，那驅動芯片也需要專門針對氮化鎵設計的芯片。有些GaN器件廠商的設計內置驅動器, 跟PWM 控制器搭配的電路就跟MOSFET 類似。而沒有內置驅動器的GaN FET, 需採用外部零件做驅動器, 在電路設計與驗證上可能就更加困難。
納微(Navitas)中國區銷售總監李文輝表示，傳統基於硅的PWM控制器一般在60-80kHz的範圍內運行，而GaN器件可以在1MHz的範圍內運行。通常它需要一個額外的柵極驅動器，以便在短時間內打開和關閉GaN器件。納微的GaN PowerIC集成了這種柵極驅動器，可以簡化高速操作中的設計。
GaN器件的製造工藝問題
半導體行業至少用了50年的時間來不斷完善硅器件。而氮化鎵是一項相對較新的技術，許多大公司感到引入氮化鎵產品極具挑戰性。GaN功率開關器件還處於起步階段，生產製程上還有一些約束，如GaN外延與襯底的晶格匹配精度不理想，外延層受拉力太大容易破裂而導致整個晶圓報廢等。
因此，產品可靠性、製程成熟度和產品良率需要進一步提升，才能實現GaN器件成本的逐步下降，推動廣泛的應用。此外，未來幾年GaN依然是以6”或8”晶圓製程為主， 12”晶圓的生產線還有待工藝技術的進一步完善。
蘇州量微的傅玥認為，GaN器件工藝上主要有如下難點：
1, 硅基板帶來的晶格及熱失配;
2. 實現常關型器件所需要的p-GaN工藝及閾值電壓的問題;
3. 如何從工藝設計上減輕電流崩塌/動態電阻效應;
4. 如何實現不同的器件(電阻、電容和二極管等)的單片工藝整合;
5. 如何提高芯片一致性，良品率及降低成本等。
GaN充電器的未來展望
偉詮的觀點是，在GaN充電器普及之前，售後市場(after-market)的充電器廠商因要塑造品牌形象並做出產品特色與差異化, 對GaN 的接受度會比較高。但移動設備OEM廠商對成本控制比較嚴格，其設備標配(in-box)充電器要在短期內採用GaN還不太容易。不過，當GaN製造工藝和設計漸趨成熟，質量與良率更趨穩定，成本更能被OEM廠商所接受時，GaN在大功率充電器應用將有機會取代硅器件。
英飛凌將在今年推出集成了驅動電路的單管和半橋GaN產品，包括70mΩ和190mΩ兩種規格，為高功率密度充電器提供先進的GaN器件。英飛凌的數字電源(XDP)平臺通過優化軟件配置，可以平滑升級至更高頻率的工作模式，從而支持GaN的各種應用。
量微認為GaN可以使用軟開關的拓撲結構來最大程度地利用氮化鎵的優勢。LLC拓撲結構在GaN充電器上有獨特的優勢，能實現頻率和效率的大幅提升。使用LLC設計可以實現從30瓦到300瓦的氮化鎵充電系統。
納微認為，隨著智能手機內置電池組的功率越來越大，以及電池材料的技術進步，設備可以在相同的充電時間段內吸收更多的功率，即65W或更高。輕巧的PD充電器無疑是便攜式/移動應用的市場趨勢。Navitas GaN PowerIC採用增強模式(正常關閉)，不需要額外的MOSFET，它可以使芯片尺寸更小。此外，藉助集成的柵極驅動器，它可以高達1MHz的頻率運行。
PI已經交付了超過500萬顆PowiGaN芯片，現已成為全球最大的高壓氮化鎵器件提供商之一。其基於PowiGaN技術的InnoSwitch3器件已經被Anker等充電器廠商廣泛採用。
作者：顧正書
責編：Amy Guan
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