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剖析GaN控制芯片在充電器領(lǐng)域的應(yīng)用

發(fā)布日期： 2021-09-04 瀏覽次數(shù)： 2,038

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李誠）GaN憑借其優(yōu)越的性能，成為第三代半導(dǎo)體材料中的一員，在半導(dǎo)體領(lǐng)域中備受關(guān)注。本期文章主要講述目前國外主流GaN快充控制芯片，國產(chǎn)GaN快充控制芯片將在下一期文章中講述。

GaN不同于一般的MOS管，氮化鎵FET的橫向結(jié)構(gòu)中沒有P-N結(jié)、體二極管，也沒有反向恢復(fù)電荷（Qrr）。通過消除反向恢復(fù)損耗，氮化鎵可以在硬交換拓撲中實現(xiàn)高效的高切換頻率操作。

從源頭避免了損耗問題的出現(xiàn)，DS極之間雙向?qū)?，GaN與Si相比，GaN的禁帶寬度是Si的三倍，臨界擊穿電場是Si的十倍，在工作頻率方面GaN的開關(guān)工作頻率有著顯著的提升，功率的提升有助于降低成本，減小體積，加上GaN在功率輸出方面較為突出，電路效率及開關(guān)頻率方面都有不錯的表現(xiàn)，GaN將會在快充領(lǐng)域成為中堅力量。

GaN在不斷占據(jù)市場份額，據(jù)中信證券分析預(yù)測，2020年全球GaN充電器市場規(guī)模為23億元，2025年將快速上升至638億元，5年復(fù)合年均增長率高達94％。

部分廠商GaN控制芯片對比

目前已有多家公司布局市場，并推出GaN的快充控制芯片，例如：安森美、德州儀器、英飛凌等。在中美貿(mào)易戰(zhàn)的大背景下，我國為實現(xiàn)國產(chǎn)化替代，國內(nèi)廠商南芯、亞成微等，也相繼推出GaN主控芯片。

通過以上統(tǒng)計，從電路拓撲來看主要分為三大類：ACF、LLC、QR。從驅(qū)動方面分為兩類：可直接驅(qū)動和間接驅(qū)動。

ACF框架，ACF（全稱：Active Clamp Flyback，中文：有源鉗位反激）有源鉗位反激電路在電路中主要是實現(xiàn)軟開關(guān)的電路，通過ZVS（零壓啟動）和ZCS（零電流關(guān)斷）實現(xiàn)開通或關(guān)斷的功能減小開關(guān)損耗。

LLC框架，LLC是諧振電路，主要是諧振電感（L）、勵磁電感（L）、諧振電容（C）串聯(lián)組成LLC電路。同樣使用ZVS技術(shù)，該電路特點：工作頻率高、體積小、效率高、損耗小。

QR框架，準諧振反激式開關(guān)電源電路，本電路相較于前二者電路更為簡單、方便調(diào)試、性價比也比較高。

主流芯片介紹

目前市場上應(yīng)用較多的兩款控制芯片：1、TI UCC28782 2、安森美 NCP1342

1、TI UCC28782

（UCC28782 電路拓撲圖片來源：TI官網(wǎng)）

UCC28782是一顆應(yīng)用于Type-C PD的高密度有源鉗位反激控制芯片，能夠在很大的工作區(qū)間內(nèi)自動調(diào)節(jié)實現(xiàn)ZVS，功率能達93%以上。該芯片的頻率是可調(diào)的，最大頻率為1.5MHz。集成Boost自供電電路，支持頻率抖動以降低EMI電磁干擾。自我調(diào)節(jié)模式、低功耗模式和備用電源模式同時工作能夠提高輕載效率，降低紋波和噪音。該芯片還集成了X電容，在停止充電時釋放電壓。

對PWML和PWMH之間的死區(qū)時間進行了最佳調(diào)整，以幫助最小化ZVS所需的循環(huán)能量。因此，在軟開關(guān)拓撲的大規(guī)模生產(chǎn)中，可以顯著提高系統(tǒng)整體的效率，并獲得更一致的效率。RTZ、RDM、BUR、IPC和SETP腳的編程特性提供了豐富的靈活性，以優(yōu)化在輸出功率和操作頻率級別范圍內(nèi)的功率級效率。

UCC28782還集成了更強大的保護功能，以最大限度地提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。這些功能包括主動X電容器放電、內(nèi)部軟啟動、輸出過電壓（OVP）、輸入線路過電壓（IOVP）、輸出過功率（OPP）、系統(tǒng)過溫（OTP）、開關(guān)過電流（OCP）、輸出短路保護（SCP）和引腳故障。該控制器為OVP、OPP、OTP、OCP和SCP故障提供了自動恢復(fù)和閉鎖響應(yīng)選項。

該芯片集成了很多功能，有效降低外部元器件數(shù)量及尺寸大小，提高了性價比和便攜性。使用該芯片的主要充電器有：realme 50W mini閃充氮化鎵充電器。

2、安森美 NCP1342

（NCP1342 電路拓撲圖片來源：安森美官網(wǎng)）

NCP1342利用當前的QR框架實現(xiàn)了一個準諧振反激轉(zhuǎn)換器，其中開關(guān)的關(guān)閉由峰值電流決定。該集成電路是一個理想的候選方案，其中低零件數(shù)和成本效益是關(guān)鍵原因，特別是在交流—直流適配器，開放的框架電源等。

NCP1342集成了現(xiàn)在電源設(shè)計中通常需要的所有必要組件，帶來了一些增強，如非功耗過功率保護（OPP）、斷電保護和變頻管理，以優(yōu)化整個功率范圍內(nèi)的效率?？紤]到極低的備用功率需求，控制器具有最小的電流消耗，并包括一個自動X2電容器放電電路，消除了在X2輸入電容器上安裝功率消耗電阻的需要。

NCP1342采用的是高頻QR的框架，據(jù)公開信息顯示，對市面上131款GaN快充充電器進行拆解其中使用QR框架的產(chǎn)品占比高達七成以上，雖然LLC電路以高效，高功率的特點備受工程師青睞，但是占比僅有一成左右。NCP1342之所以能在GaN快充控制芯片領(lǐng)域中廣泛的應(yīng)用與其框架息息相關(guān)。使用該芯片的主要充電器有：魅族65W氮化鎵快充、倍思65W氮化鎵快充。

這兩款芯片都沒有內(nèi)置驅(qū)動器，需要在電路中搭載驅(qū)動芯片。在電路方面NCP1342比UCC28782更為簡潔，能有效地控制成本。在芯片封裝方面NCP1342有SOIC-8和SOIC-9兩種供工程師選擇，而UCC28782只有WQFN-24一種。在調(diào)試方面，因為封裝的問題，NCP1342引腳外置對工程師調(diào)試過程更為友好。