國(guó)產(chǎn)GaN控制芯片在快充領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)與不足

國(guó)產(chǎn)GaN控制芯片在快充領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)與不足

（文/李誠(chéng)）上一期文章講述了國(guó)外廠商主流的GaN快充主控芯片，其中安森美NCP1342解決方案被眾多廠商使用。其實(shí)，除了國(guó)外的GaN控制芯片，國(guó)內(nèi)的GaN控制芯片這幾年發(fā)展得也不錯(cuò)，特別是今年突如其來(lái)的芯片缺貨問(wèn)題，更是加快了國(guó)產(chǎn)GaN控制芯片發(fā)展的步伐，不少之前使用國(guó)外控制芯片方案商和終端廠商開(kāi)始切換到國(guó)內(nèi)企業(yè)的產(chǎn)品。

國(guó)內(nèi)主流GaN快充控制芯片

近年來(lái)，我國(guó)半導(dǎo)體在氮化鎵、氮化硅領(lǐng)域發(fā)展迅速，眾多廠商實(shí)現(xiàn)了芯片量產(chǎn)。現(xiàn)已推出了量產(chǎn)化氮化鎵快充控制芯片的廠商有：南芯、亞成微、誠(chéng)芯微、美思迪賽、茂睿芯等。值得一提的是，茂睿芯在控制芯片、功率器件方面均有研究，并且給出一套完整的快充解決方案。

以上是對(duì)國(guó)內(nèi)部分廠商公開(kāi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，相較于上一期文章的統(tǒng)計(jì)，在電路方面主要還是以QR為主，還增加了DCM/CCM，工作頻率最高達(dá)63KHz~260KHz，在驅(qū)動(dòng)方面大多是內(nèi)部集成驅(qū)動(dòng)芯片。上期文章已解釋過(guò)QR架構(gòu)，本期該小節(jié)主要對(duì)DCM、CCM進(jìn)行講解。

CCM架構(gòu)：CCM (Continuous Conduction Mode)，連續(xù)導(dǎo)通模式：在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電感電流從不會(huì)到0，意味著在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感磁通從不回到0，功率管閉合時(shí)，線(xiàn)圈中還有電流流過(guò)。

DCM架構(gòu)：DCM，Discontinuous Conduction Mode）非連續(xù)導(dǎo)通模式：在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電感電流總會(huì)回到0，意味著電感被適當(dāng)?shù)摹皬?fù)位”，即功率開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電感電流為零。與CCM相比，DCM功耗低、轉(zhuǎn)換效率高、輸出紋波大。

芯片參數(shù)對(duì)比

上表是對(duì)國(guó)內(nèi)部分廠商GaN控制芯片與NCP1342參數(shù)的對(duì)比。在芯片封裝方面引腳由6Pin~10Pin不等，與安森美NCP1342 8Pin~9Pin相比，部分國(guó)產(chǎn)芯片一個(gè)Pin腳就集成多種功能，封裝更為精簡(jiǎn)，有利于優(yōu)化PCB的排版布局，減小產(chǎn)品體積。國(guó)產(chǎn)芯片與NCP1342相比在待機(jī)能耗方面有待提高。在高壓啟動(dòng)方面，亞成微RM6601SN啟動(dòng)范圍也達(dá)到了700V，大大縮短啟動(dòng)時(shí)間。

芯片介紹

1、美思迪賽MX6520

（MX6535 圖片來(lái)源：datasheet）

MX6535的發(fā)布是我國(guó)在氮化鎵領(lǐng)域的一大突破，美思迪賽是繼安森美和德州儀器后第三家推出氮化鎵快充主控芯片的公司，改變了外國(guó)技術(shù)壟斷，我國(guó)氮化鎵控制芯片、驅(qū)動(dòng)芯片依賴(lài)進(jìn)口的局面。

MX6535是我國(guó)首顆氮化鎵控制芯片，內(nèi)部集成相較于安森美NCP1342更高，除了控制器還集成了柵極驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)一步減少元器件及產(chǎn)品體積。該芯片采用主流的QR架構(gòu)，構(gòu)建峰值電流模式PWM的反激式電源。為了實(shí)現(xiàn)高性能低EMI，低待機(jī)功耗和許多保護(hù)功能進(jìn)行優(yōu)化。MX6520可以在沒(méi)有傳統(tǒng)的二次反饋電路的情況下，實(shí)現(xiàn)緊密的多級(jí)恒壓和多級(jí)恒流調(diào)節(jié)。它還消除了對(duì)回路補(bǔ)償組件的需要，同時(shí)保持在所有操作條件下的穩(wěn)定性。MX6520擁有全面保護(hù)及自動(dòng)恢復(fù)的功能，包括循環(huán)電流限制、不同輸出電壓的過(guò)壓保護(hù)、反饋回路開(kāi)路保護(hù)、短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等。

在功能方面支持USB-PD3.0，輸出電壓范圍3.3V~20V。支持高通QC2.0/3.0、華為FCP、三星ACF等協(xié)議。該芯片在電路方面使用元器件較少，體積較小，能在單面板上使用。

2、茂睿芯MK2697G

（MK2697G 圖片來(lái)源：茂睿芯官網(wǎng)）

茂睿芯算是氮化鎵快充行業(yè)中的一匹黑馬，該企業(yè)在ACDC、DCDC、同步整流、功率驅(qū)動(dòng)、智能保護(hù)開(kāi)關(guān)等領(lǐng)域均有發(fā)展，是國(guó)內(nèi)為數(shù)不多能夠?yàn)榈壙斐涮峁┩暾鉀Q方案的企業(yè)。

MK2697G采用的是QR架構(gòu)，專(zhuān)門(mén)為PD快充優(yōu)化的高頻主控芯片。該芯片工作電壓在9V-90V，開(kāi)關(guān)頻率最高可達(dá)200KHz，能充分體現(xiàn)氮化鎵的優(yōu)勢(shì)提高轉(zhuǎn)換效率。對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行過(guò)優(yōu)化，可直接驅(qū)動(dòng)E-GaN。該芯片還集成了專(zhuān)有的軟起動(dòng)電路，可降低SR Vds應(yīng)力。

在電路保護(hù)方面，該芯片具有輸出OV、 OPP、 VCC 、OVP、BROWN-IN/OUT，還提供了副邊SR短路保護(hù)，PIN腳OPEN/SHORT保護(hù)，以及輸入電壓OVP保護(hù)等。

該芯片可配合自家的同步整流芯片使用，茂睿芯有自己的專(zhuān)利技術(shù)，可以在無(wú)需輔助繞組的情況下直接連接正端實(shí)現(xiàn)為VCC供電。

茂睿芯憑借其高度集成的芯片和簡(jiǎn)潔的短路網(wǎng)絡(luò)，以及完整的解決方案，得到了眾多快充廠商的認(rèn)可。

3、南芯SC3021

（南芯SC3021系列電路拓?fù)?圖片來(lái)源：南芯官網(wǎng)）

南芯SC3021系列，該系列芯片采用QR架構(gòu)，內(nèi)部集成驅(qū)動(dòng)及高壓電流源，有X電容放電功能，僅提供啟動(dòng)電流，其他時(shí)間不運(yùn)行，以此降低能耗。還具有自適應(yīng)開(kāi)關(guān)折返功能，能在負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的效率。該系列還集成了過(guò)流保護(hù)（AOCP），它可以在原邊控制最大的輸出電流。AOCP是專(zhuān)門(mén)為USB-PD方案、PD控制器設(shè)計(jì)的。AOCP可以降低二次同步整流的電流應(yīng)力。提供全面的保護(hù)，以防止電路在不正常情況下受到損壞。此外，還具有抖頻和智能驅(qū)動(dòng)功能可使噪聲最小化，從而改善EMI的性能。SC3021B與SC3021A不之處只是工作頻率的不同。

4、亞成微RM6601SN

（RM6601SN 電路拓?fù)?圖片來(lái)源：亞成微官網(wǎng)）

RM6601SN是一款PWM開(kāi)關(guān)控制芯片，采用QR架構(gòu)，在全電壓范圍內(nèi)待機(jī)功耗小于65mW，該芯片固定頻率130KHz，在QR模式下工作時(shí)，采用零電壓?jiǎn)?dòng)技術(shù)，降低開(kāi)關(guān)損耗。RM6601SN采用專(zhuān)有的啟動(dòng)技術(shù)，搭配Emode GaN功率器件有助于改善產(chǎn)品的EMI。該芯片還集成了多種保護(hù)模式和補(bǔ)償電路，包括VCC OCP、內(nèi)置OTP、外置OVP、欠壓保護(hù)（UVLO）和過(guò)流保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、CS短路保護(hù)、輸出肖特基短路保護(hù)等，并且內(nèi)置了斜坡補(bǔ)償、ZVS線(xiàn)電壓補(bǔ)償。RM6601SN的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋篜D/QC快充、大功率適配器、TV電源等。

5、誠(chéng)芯微CX2006

（CX2006電路拓?fù)?圖片來(lái)源：誠(chéng)芯微）

CX2006是一顆峰值電流PWM控制器，采用CCM和DCM架構(gòu)，重載情況下工作固定頻率112KHz。在輕載或空載時(shí)會(huì)進(jìn)入跳頻模式，進(jìn)一步降低系統(tǒng)開(kāi)關(guān)損耗并且滿(mǎn)足100mW的待機(jī)功率。能夠?qū)崟r(shí)偵測(cè)負(fù)載情況，調(diào)試工作頻率，實(shí)現(xiàn)較高的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率。

在電路方面CX2006內(nèi)部集成斜坡補(bǔ)償電路、軟起動(dòng)電路、軟驅(qū)動(dòng)電路。為改善EMI在軟驅(qū)驅(qū)動(dòng)電路加入了抖頻控制。在保護(hù)方面CX2006 內(nèi)置逐周期峰值限流保護(hù)（OCP）、過(guò)載保護(hù)（OLP）、VDD 過(guò)壓保護(hù)（OVP）、VDD 電壓箝位、欠壓保護(hù)（UVLO）、過(guò)溫保護(hù)（OTP）等。CX2006應(yīng)用領(lǐng)域有：PDA、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)電源適配器、機(jī)頂盒電源等

總結(jié)

國(guó)產(chǎn)氮化鎵快充控制芯片與上一期文章提到的主流芯片安森美NCP1342相比，在驅(qū)動(dòng)、芯片供電、電路等都做了進(jìn)一步的優(yōu)化，將驅(qū)動(dòng)集成于芯片內(nèi)，能夠直接供電給氮化鎵芯片，外圍電路更為簡(jiǎn)單。但是國(guó)產(chǎn)氮化鎵快充主控芯片在待機(jī)能耗方面還有待提高。