首页 / 行业

GaN控制芯片在充电器领域的应用

2021-09-01 08:00:00

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 NCP13421、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。