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          剖析GaN控制芯片在充电器领域的应用

          电子发烧友网 ? 2021-09-02 16:03 ? 次阅读

          电子发烧友网报道(文/李诚)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 NCP1342

          1、TI UCC28782

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          (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?;すδ?,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?;ぃ⊿CP)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

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          (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?;ぃ∣PP)、断电?;ず捅淦倒芾?,以优化整个功率范围内的效率??悸堑郊偷谋赣霉β市枨?,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。

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          (NCP1342 SOIC-8 SOIC-9 图片来源:安森美官网)

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          (UCC28782 WQFN-24 图片来源:TI官网)

          总结

          GaN的出现推动了电源行业的发展,快充功率从30W到120W不等。从目前市面来看,主流的氮化镓快充输出功率为65W。国产企业研发的主控芯片相继推出市场,氮化镓快充的成本将会降低,也更会被消费者接受。

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          编辑:jq

          原文标题:GaN控制芯片在充电器领域的应用

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          发表于 10-01 14:09 ? 418次 阅读

          一套稳定的5V转3.3V芯片选择与应用方案

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          的头像 39度创意研究所 发表于 09-27 15:22 ? 2722次 阅读
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          SM2083单通道可调光LED恒流驱动控制芯片的数据手册免费下载

          SM2083 是单通道可调光 LED 恒流驱动控制芯片,芯片使用本司专利的恒流设定和控制技术,输出电....
          发表于 09-22 08:00 ? 255次 阅读
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          物联网和区块链结合能不能实现真正的物物链接

          相关行业的专家在探讨物联网安全问题时不可避免地谈及区块链技术在物联网安全方面的独特价值。 有专家指出....
          发表于 09-03 10:21 ? 337次 阅读

          锐航:引领智能车机新风尚

          引用德国最新智能检测系统,自动检测 智能匹配,多种模式一键切换,标配动力提升组件,与原车完美对接,不....
          的头像 深圳市汽车电子行业协会 发表于 08-22 10:14 ? 1038次 阅读

          关于USB Type-C VBUS数据走线的电流检测与使用

          USB PD看似只是电源传输与管理的协议,实际上它可改变端口角色,可与有源电缆通讯,允许DFP成为受....
          发表于 08-20 16:12 ? 4261次 阅读
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          全电压DCAC输入高效PWM调光LED恒流控制芯片NU310

          NU310一款高效的PWMLED恒流驱动应用设计使用IC,输入电压可以市电直接整流滤波供电,5000....
          发表于 07-14 17:32 ? 2745次 阅读
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          金升阳推出功率密度高、响应快速费控开关电源控制芯片

          十三五期间,我国将加快推进智能电网的建设,国家电网在此期间将会实现智能电表全覆盖(90%)。为响应国....
          发表于 05-31 11:15 ? 816次 阅读

          Silanna Semiconductor宣布扩展有源钳位反激控制器(ACF)产品系列

          SZ1110和SZ1130器件是有源钳位反激PWM控制器,集成了自适应数字PWM控制器和其他超高压(....
          发表于 04-29 11:03 ? 1587次 阅读
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