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纳微GaNSense™技术性能升级,已获小米、联想商用!

据市调机构TrendForce数据显示,受惠于消费性快充产品需求快速上升,手机品牌均有推出快充,目前笔记本电脑厂商也有意跟进,使GaN功率市场成为第三代半导体产业中产值上升最快速的类别,预估2021年营收将达8,300万美元,年增率高达73%。今年Q4,氮化镓技术的商业化有了近一步发展……

继2021年10月在美国纳斯达克上市之后,紧接着纳微半导体(股票代码NVTS)又于11月8日发布了基于GaNSense™技术的全新GaNFast™氮化镓功率芯片。SoResmc

在日前的媒体发布会上,纳微半导体发言人向《国际电子商情》等媒体介绍了GaNSense™技术的特点,以及集成GaNSense™技术的GaNFast™芯片比上一代芯片在哪些地方有做升级。SoResmc

GaN功率芯片市场产值快速上升

据市调机构TrendForce数据显示,受惠于消费性快充产品需求快速上升,如手机品牌小米、OPPO、vivo自2018年起推出快速充电头,凭借高散热效能与体积小的产品优势获得消费者青睐,目前笔记本电脑厂商也有意跟进,使GaN功率市场成为第三代半导体产业中产值上升最快速的类别,预估2021年营收将达8,300万美元,年增率高达73%。SoResmc

在这种市场背景下,全球首家成功上市的氮化镓功率芯片厂商,纳微半导体于今年Q4推出了基于GaNSense™技术的新一代GaNFast™芯片。据纳微半导体销售运营总监李铭钊介绍,现在纳微半导体已经有200多项专利,此外还有100多项专利正准备申请中。预计到2022年年底,全球将有超过290款充电器采用纳微半导体的GaN方案。SoResmc

他也解释说,现在的氮化镓最主要的应用场景是手机充电器。这主要两个原因:第一,手机电池用量越来越大,从以前的两千毫安时左右,到现在的五千毫安时。电池变大了,相应的充电时间也会变长。氮化镓的优势是,能提升充电器的功率,让消费者在很短的时间内把手机电池充满。同时,随着电子设备的种类越来越多,未来多头充电器有极大的市场,这也促成氮化镓得以快速商用。SoResmc

与传统硅相比,氮化硅的优势突出

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作为第三代半导体,氮化镓被视为取代传统硅的存在。业界也的确认可氮化镓在性能方面的优势,不过因为氮化镓还属于新型半导体材料,当前其商业化的程度仍待提升。SoResmc

在李铭钊看来,氮化镓与传统硅在特性方面有较大的区别,比如GaN器件的开关速度比Si快20倍,且体积和重量也更小。这些特征,使得GaN在某些系统里可节能40%,因此GaN对实现国家的碳中和目标很有助益。另外,GaN的功率密度是Si的3倍,搭配一些快充方案时,其充电速度能提升3倍以上。在同样的体积、充电速度的条件下,用基于硅方案的充电产品的成本实际上并不占优势,而利用GaN材料充电器的系统成本可节约20%左右。SoResmc

实际上,早在20年前,氮化镓这个材料就已经出现。在最近几年里,GaN企业通过优化自身、提升产能、控制成本,慢慢地让该材料落地在消费类、工业类应用中。纳微半导体氮化镓功率芯片由台积电2号工厂生产,该工厂主要生产6英寸氮化镓晶圆。在封装部分,纳微半导体的供应商是全球TOP 3的封装厂商,其品质控制可以做到零故障。具体来看,纳微半导体已经出货3000万颗氮化镓功率芯片,这些芯片的故障率为零。SoResmc

值得注意的是,氮化镓作为第三代半导体,其良率一直是大家关注的焦点,根据李铭钊的说法,纳微半导体氮化镓功率芯片的产出能力已经达到了90%以上,其交付时间仅为12周左右。在全球半导体缺货的环境下,12周的交期显得非常突出。SoResmc

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在合作伙伴方面,纳微半导体的客户包括小米、OPPO、联想、DELL等在全球知名度较高的厂商。此外,国外的电商品也有选用纳微半导体的方案。截至目前,全球有超过140款量产中的充电器采用纳微半导体的方案,另外还有大约150款充电器还在准备研发阶段。这意味着,在未来12个月内,将有最少150款使用纳微半导体方案的充电器上市。SoResmc

GaN功率芯片的应用可减少碳排放

除了充电器之外,平面电视、游戏机、平板都是纳微半导体关注的消费类产品,因为消费者期望这些产品期望能更轻。在这些领域中,大约每年有20亿美金的市场机会;数据中心也是潜力很大的市场,氮化镓可为数据中心每年节省19亿美元的电费;氮化镓也能提升太阳能的效率,其逆变器可以放置在居民家庭中,帮助消费者用到更便宜的电力;此外,氮化镓在电动汽车领域也有非常好的应用,它让汽车中的OBC、DC/DC的体积更小、质量更轻,把节省出来的空间让给锂电池,从而增加电动汽车的续航里程。SoResmc

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“纳微半导体的氮化镓是实现碳排放、碳中和目标的重要手段,每一颗氮化镓功率芯片一年可减少4公斤二氧化碳的排放。同时,氮化镓芯片的应用可减少外部零件的使用,采用硅方案做一个服务器电源,可能需要一千个零件,但用氮化镓的话,只需600多个零件。而生产这些零件也会产生碳排放,所以氮化镓功率芯片的运用有助于减少碳排放。”SoResmc

氮化镓功率芯片集成带来的优势

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其实,市场上的功率氮化镓有不同的技术路径,比如当前主要有两个流派在,其中一个是dMode常开型,另一个是eMode常关型。纳微半导体代表的是第二种流派。SoResmc

纳微半导体高级应用总监黄秀成介绍说,相比于传统的常关型氮化镓功率器件,纳微半导体又进一步做了集成,包括驱动的集成、保护和控制的集成等。他认为,氮化镓功率芯片集成以后,能带来以下优势:SoResmc

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第一,传统的硅器件参数不够优异,其开关速率和开关频率都受到极大限制。基于硅器件的电源系统设置主要在60KHz-100KHz的开关频率范围内,因为开关频率比较低,它的储能元件比如电感、电容元件的尺寸过大,电源的功率密度也会相对较低,业界硅器件的电源功率密度普遍小于0.5W/cc。SoResmc

第二,分立式氮化镓受限于驱动线路的复杂性,如果没有把驱动集成到功率器件内部,受限于外部器件的布局、布线参数的影响,其开关频率无法发挥到氮化镓应有的高度。其开关频率只能比普通硅器件提升2-3倍,功率密度的提升也相对有限。虽然友商的分立式氮化镓电源适配器或电源解决方案的功率密度比传统硅要高,但是也没有达到1W/cc。SoResmc

第三,纳微半导体的氮化镓功率器件内部集成了控制、驱动和保护,可以不依赖外部集成参数,其开关频率能充分地释放。纳微半导体电源适配器的主流开关频率为300KHz-400KHz,已经有客户的模块电源设计达到了MHz级别。经过集成的方案之后,开关频率、开关速度的潜能被极大释放,其功率密度比传统硅或分立式的氮化镓高了许多,且已经有部分产品的功率密度远远大于1W/cc。SoResmc

GaNSense™系列的特点及应用场景

GaNSense™是纳微半导体重磅推出的新技术,基于GaNSense™技术的新一代GaNFast™芯片比此前发布的前一代GaNFast™芯片在多方面均有提升。目前,整个GaNFast™系列芯片的出货量已经突破了三千万颗。SoResmc

在参数方面,GaNFast™把驱动控制和保护集成在了功率器件上,该系列芯片主要采用的QFN封装方式,其大体布局和传统的硅及分立式氮化镓芯片区别不大,它也有漏极、源极、PWM等。因为这是功率芯片,它的外部有一个Vcc供电,其供电范围非常宽,达到10V-30V。GaNFast™芯片内部的控制器和外围控制器配合得非常好,可以适应控制器的Vcc范围。SoResmc

黄秀成介绍说,因为氮化镓芯片设计中的一些难点,比如用氮化镓的晶圆来产生基准电压会相对比较难,纳微半导体用一个外部稳压管来为内部产生基准电压,把宽范围的Vcc调整成内部真正需要驱动氮化镓功率器件的母线电压。同时,GaNFast™芯片内部的PWM信号做了防噪声处理,内部有很多磁滞线路,较之于传统的硅或者分立式氮化镓有很多保护,包括UVLO,系统Vcc未达到某一定值之前,整个功率芯片会处于锁定状态,可有效避免功率器件在某些异常条件下出现工作失效的情况。SoResmc

GaNSense™技术提升了哪些性能?

谈到GaNSense™技术做了哪些升级,黄秀成主要展示两张PPT图片来强调该技术带来的性能优势。SoResmc

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随着电源行业的发展,包括手机功率、充电功率需求的提升,以及更多应用场景的出现,氮化镓技术的更迭也在持续进行。以上这张图很形象地展示了纳微半导体氮化镓功率芯片进步的目标,相比于传统的硅和分立式GaN,GaNFast™系列已经发挥出氮化镓的速度和潜能。而在GaNSense™技术基础上,新一代GaNFast™又做了性能方面的提升,其中包括无损的电流采样、智能的待机(解决了GaNFast™以前相对不足的地方),人体的ESD、过温过流保护等。 SoResmc

“我们的电流采样是通过无损的方式,它会去采集一些电流信息,然后经过信号处理,在芯片外部放置一个可编程的电阻,该电阻的大小可以调比例,然后去原样复现流经GaN功率器件的电流。这对信号处理和采样的精准度要求很高。”黄秀成解释说,6134产品的精准度相对较高,虽然它的规格书上注明的偏差接近4%到5%,但是公司上千个测试结果显示,其采样精度误差大概在正负1.36%以内,这样的精度可以在电源系统设计里面,比较随意地去使用电流采样的技术,能精准地控制闭环采样、过流/过温保护等。SoResmc

·无损采样

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无损采样会对电源系统产生怎么样的影响?首先,把无损采样代替原来采样电阻功能,意味着在功率回路里有功率器件和功率采样电阻这两个产生损耗的元件,无损采样则完全把采样电阻的损耗节省下来,这样功率回路里面的通态损耗也会减半,这意味着能效的提升。无损采样还能减少PCB的布局,原来采样电阻通常会采用3mm x 4mm封装采样电阻的形式,通过内部集成无损采样之后,器件内PCB布局的面积更小,布局会更灵活、更简单。还能改善热耦合的问题,原来有两个发热元件在系统里,现在拿掉了其中的一个,所以热系数更好、耦合系数更低、系统的效率也会更高。SoResmc

·过流保护

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传统的硅器件以及上一代GaNFast™系列,外部还是需要一个采样电阻,采样电阻采到的信号交由控制器判断是否发生过流情况,控制器为了避免噪声问题,有一个Delay(时延)的问题,通常它的反应时间在300纳秒左右,这是传统控制器的反应时间。用了GaNSense™技术之后,电流采样技术在内部做信号处理,纳微半导体设定一个阈值,如果触碰到这个阈值,其反应时间可远小于100纳秒,节省出来的200纳秒,可以避免系统因异常情况,比如短路、过功率等,所造成变压器的电流急剧上升。SoResmc

·过温保护

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过温保护对于功率器件的保护非常关键,纳微半导体的保护机理也是设置一个区间,通常设定的阈值是160℃,当温度超过160℃之后,功率器件不管外部的PMW信号,可直接关掉芯片,这样芯片会自然冷却。当冷却温度低于100℃时,系统会再去参考PMW信号,当有信号时候功率器件会继续工作,如果过温的异常情况并没有解除,芯片的温度还是在往上升,再升到160℃时会继续关断,这是纳微半导体在区间内精准控制节温的范围。SoResmc

·智能待机

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尽管现阶段能效标准中的待机功耗比较宽松, 比如75mW,但是很多OEM、ODM工厂都会要求待机做到30mW以内。纳微半导体早期的GaNFast™系列,因为里面集成了芯片的功能,静态电流为700微安或1毫安,考虑到待机问题外边增加一个线路,待机时会自动切断Vcc,因此系统相对复杂。现在基于GaNSense™技术的新一代GaNFast™芯片更加完善,该系列芯片会智能检测PWM信号,当PWM信号工作正常时,不会发挥智能待机的功能,当系统进入跳周期模式之后,通过智能检测可让芯片进入待机模式,整个待机电流从原来的接近1毫安,降到接近100微安,可显著降低待机功耗。当芯片进入待机之后,当第一次出现脉冲时,只需30纳秒就可以进入正常工作模式。SoResmc

基于GaNSense™技术的芯片已上线

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目前,基于GaNSense™技术的新系列产品已经上线,新系列有不同的封装尺寸,包括6mm × 8mm、5mm × 6mm等2种尺寸可以选择;电阻最小可到120毫欧,最大是为450毫欧,该范围能较好地覆盖从20多瓦快充和100-200瓦快充系列。SoResmc

GaNSense™主要有三个应用场景:第一个,快充QR Flyback的应用场景,可代替掉原来的主管和采样电阻;第二个,带PFC功能的器件,在90V输出条件下,至少可以提升0.5%的能效;第三个,非对称半桥应用,随着PD3.1的代入,非对称半桥拓扑一定会火起来,这个拓扑里面有两个芯片,作为主控管可用GaNSense™,也需要采样电流,上管作为同步管可以用GaNFast™系列代替。SoResmc

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已经有部分客户在使用GaNSense™技术芯片,包括小米120W的氮化镓充电器,它是目前业界最小的120W的解决方案,里面集成了PFC+QR的系统框架,内部使用了两颗NV6134 GaNSense™系列芯片,GaNSense™解决方案比硅方案提升了1.5%的效率;联想YOGA65W双C也采用了NB6134的解决方方案。SoResmc

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李晋
国际电子商情助理产业分析师,专注汽车电子、人工智能、消费电子等领域的市场及供应链趋势。
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