繼2021年10月在美國納斯達(dá)克上市之后，緊接著納微半導(dǎo)體（股票代碼NVTS）又于11月8日發(fā)布了基于GaNSense™技術(shù)的全新GaNFast™氮化鎵功率芯片。t3Xesmc

在日前的媒體發(fā)布會上，納微半導(dǎo)體發(fā)言人向《國際電子商情》等媒體介紹了GaNSense™技術(shù)的特點，以及集成GaNSense™技術(shù)的GaNFast™芯片比上一代芯片在哪些地方有做升級。t3Xesmc

GaN功率芯片市場產(chǎn)值快速上升

據(jù)市調(diào)機(jī)構(gòu)TrendForce數(shù)據(jù)顯示，受惠于消費性快充產(chǎn)品需求快速上升，如手機(jī)品牌小米、OPPO、vivo自2018年起推出快速充電頭，憑借高散熱效能與體積小的產(chǎn)品優(yōu)勢獲得消費者青睞，目前筆記本電腦廠商也有意跟進(jìn)，使GaN功率市場成為第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中產(chǎn)值上升最快速的類別，預(yù)估2021年營收將達(dá)8,300萬美元，年增率高達(dá)73%。t3Xesmc

在這種市場背景下，全球首家成功上市的氮化鎵功率芯片廠商，納微半導(dǎo)體于今年Q4推出了基于GaNSense™技術(shù)的新一代GaNFast™芯片。據(jù)納微半導(dǎo)體銷售運營總監(jiān)李銘釗介紹，現(xiàn)在納微半導(dǎo)體已經(jīng)有200多項專利，此外還有100多項專利正準(zhǔn)備申請中。預(yù)計到2022年年底，全球?qū)⒂谐^290款充電器采用納微半導(dǎo)體的GaN方案。t3Xesmc

他也解釋說，現(xiàn)在的氮化鎵最主要的應(yīng)用場景是手機(jī)充電器。這主要兩個原因：第一，手機(jī)電池用量越來越大，從以前的兩千毫安時左右，到現(xiàn)在的五千毫安時。電池變大了，相應(yīng)的充電時間也會變長。氮化鎵的優(yōu)勢是，能提升充電器的功率，讓消費者在很短的時間內(nèi)把手機(jī)電池充滿。同時，隨著電子設(shè)備的種類越來越多，未來多頭充電器有極大的市場，這也促成氮化鎵得以快速商用。t3Xesmc

與傳統(tǒng)硅相比，氮化硅的優(yōu)勢突出

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作為第三代半導(dǎo)體，氮化鎵被視為取代傳統(tǒng)硅的存在。業(yè)界也的確認(rèn)可氮化鎵在性能方面的優(yōu)勢，不過因為氮化鎵還屬于新型半導(dǎo)體材料，當(dāng)前其商業(yè)化的程度仍待提升。t3Xesmc

在李銘釗看來，氮化鎵與傳統(tǒng)硅在特性方面有較大的區(qū)別，比如GaN器件的開關(guān)速度比Si快20倍，且體積和重量也更小。這些特征，使得GaN在某些系統(tǒng)里可節(jié)能40%，因此GaN對實現(xiàn)國家的碳中和目標(biāo)很有助益。另外，GaN的功率密度是Si的3倍，搭配一些快充方案時，其充電速度能提升3倍以上。在同樣的體積、充電速度的條件下，用基于硅方案的充電產(chǎn)品的成本實際上并不占優(yōu)勢，而利用GaN材料充電器的系統(tǒng)成本可節(jié)約20%左右。t3Xesmc

實際上，早在20年前，氮化鎵這個材料就已經(jīng)出現(xiàn)。在最近幾年里，GaN企業(yè)通過優(yōu)化自身、提升產(chǎn)能、控制成本，慢慢地讓該材料落地在消費類、工業(yè)類應(yīng)用中。納微半導(dǎo)體氮化鎵功率芯片由臺積電2號工廠生產(chǎn)，該工廠主要生產(chǎn)6英寸氮化鎵晶圓。在封裝部分，納微半導(dǎo)體的供應(yīng)商是全球TOP 3的封裝廠商，其品質(zhì)控制可以做到零故障。具體來看，納微半導(dǎo)體已經(jīng)出貨3000萬顆氮化鎵功率芯片，這些芯片的故障率為零。t3Xesmc

值得注意的是，氮化鎵作為第三代半導(dǎo)體，其良率一直是大家關(guān)注的焦點，根據(jù)李銘釗的說法，納微半導(dǎo)體氮化鎵功率芯片的產(chǎn)出能力已經(jīng)達(dá)到了90%以上，其交付時間僅為12周左右。在全球半導(dǎo)體缺貨的環(huán)境下，12周的交期顯得非常突出。t3Xesmc

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在合作伙伴方面，納微半導(dǎo)體的客戶包括小米、OPPO、聯(lián)想、DELL等在全球知名度較高的廠商。此外，國外的電商品也有選用納微半導(dǎo)體的方案。截至目前，全球有超過140款量產(chǎn)中的充電器采用納微半導(dǎo)體的方案，另外還有大約150款充電器還在準(zhǔn)備研發(fā)階段。這意味著，在未來12個月內(nèi)，將有最少150款使用納微半導(dǎo)體方案的充電器上市。t3Xesmc

GaN功率芯片的應(yīng)用可減少碳排放

除了充電器之外，平面電視、游戲機(jī)、平板都是納微半導(dǎo)體關(guān)注的消費類產(chǎn)品，因為消費者期望這些產(chǎn)品期望能更輕。在這些領(lǐng)域中，大約每年有20億美金的市場機(jī)會；數(shù)據(jù)中心也是潛力很大的市場，氮化鎵可為數(shù)據(jù)中心每年節(jié)省19億美元的電費；氮化鎵也能提升太陽能的效率，其逆變器可以放置在居民家庭中，幫助消費者用到更便宜的電力；此外，氮化鎵在電動汽車領(lǐng)域也有非常好的應(yīng)用，它讓汽車中的OBC、DC/DC的體積更小、質(zhì)量更輕，把節(jié)省出來的空間讓給鋰電池，從而增加電動汽車的續(xù)航里程。t3Xesmc

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“納微半導(dǎo)體的氮化鎵是實現(xiàn)碳排放、碳中和目標(biāo)的重要手段，每一顆氮化鎵功率芯片一年可減少4公斤二氧化碳的排放。同時，氮化鎵芯片的應(yīng)用可減少外部零件的使用，采用硅方案做一個服務(wù)器電源，可能需要一千個零件，但用氮化鎵的話，只需600多個零件。而生產(chǎn)這些零件也會產(chǎn)生碳排放，所以氮化鎵功率芯片的運用有助于減少碳排放。”t3Xesmc

氮化鎵功率芯片集成帶來的優(yōu)勢

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其實，市場上的功率氮化鎵有不同的技術(shù)路徑，比如當(dāng)前主要有兩個流派在，其中一個是dMode常開型，另一個是eMode常關(guān)型。納微半導(dǎo)體代表的是第二種流派。t3Xesmc

納微半導(dǎo)體高級應(yīng)用總監(jiān)黃秀成介紹說，相比于傳統(tǒng)的常關(guān)型氮化鎵功率器件，納微半導(dǎo)體又進(jìn)一步做了集成，包括驅(qū)動的集成、保護(hù)和控制的集成等。他認(rèn)為，氮化鎵功率芯片集成以后，能帶來以下優(yōu)勢：t3Xesmc

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第一，傳統(tǒng)的硅器件參數(shù)不夠優(yōu)異，其開關(guān)速率和開關(guān)頻率都受到極大限制。基于硅器件的電源系統(tǒng)設(shè)置主要在60KHz-100KHz的開關(guān)頻率范圍內(nèi)，因為開關(guān)頻率比較低，它的儲能元件比如電感、電容元件的尺寸過大，電源的功率密度也會相對較低，業(yè)界硅器件的電源功率密度普遍小于0.5W/cc。t3Xesmc

第二，分立式氮化鎵受限于驅(qū)動線路的復(fù)雜性，如果沒有把驅(qū)動集成到功率器件內(nèi)部，受限于外部器件的布局、布線參數(shù)的影響，其開關(guān)頻率無法發(fā)揮到氮化鎵應(yīng)有的高度。其開關(guān)頻率只能比普通硅器件提升2-3倍，功率密度的提升也相對有限。雖然友商的分立式氮化鎵電源適配器或電源解決方案的功率密度比傳統(tǒng)硅要高，但是也沒有達(dá)到1W/cc。t3Xesmc

第三，納微半導(dǎo)體的氮化鎵功率器件內(nèi)部集成了控制、驅(qū)動和保護(hù)，可以不依賴外部集成參數(shù)，其開關(guān)頻率能充分地釋放。納微半導(dǎo)體電源適配器的主流開關(guān)頻率為300KHz-400KHz，已經(jīng)有客戶的模塊電源設(shè)計達(dá)到了MHz級別。經(jīng)過集成的方案之后，開關(guān)頻率、開關(guān)速度的潛能被極大釋放，其功率密度比傳統(tǒng)硅或分立式的氮化鎵高了許多，且已經(jīng)有部分產(chǎn)品的功率密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1W/cc。t3Xesmc

GaNSense™系列的特點及應(yīng)用場景

GaNSense™是納微半導(dǎo)體重磅推出的新技術(shù)，基于GaNSense™技術(shù)的新一代GaNFast™芯片比此前發(fā)布的前一代GaNFast™芯片在多方面均有提升。目前，整個GaNFast™系列芯片的出貨量已經(jīng)突破了三千萬顆。t3Xesmc

在參數(shù)方面，GaNFast™把驅(qū)動控制和保護(hù)集成在了功率器件上，該系列芯片主要采用的QFN封裝方式，其大體布局和傳統(tǒng)的硅及分立式氮化鎵芯片區(qū)別不大，它也有漏極、源極、PWM等。因為這是功率芯片，它的外部有一個Vcc供電，其供電范圍非常寬，達(dá)到10V-30V。GaNFast™芯片內(nèi)部的控制器和外圍控制器配合得非常好，可以適應(yīng)控制器的Vcc范圍。t3Xesmc

黃秀成介紹說，因為氮化鎵芯片設(shè)計中的一些難點，比如用氮化鎵的晶圓來產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓會相對比較難，納微半導(dǎo)體用一個外部穩(wěn)壓管來為內(nèi)部產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，把寬范圍的Vcc調(diào)整成內(nèi)部真正需要驅(qū)動氮化鎵功率器件的母線電壓。同時，GaNFast™芯片內(nèi)部的PWM信號做了防噪聲處理，內(nèi)部有很多磁滯線路，較之于傳統(tǒng)的硅或者分立式氮化鎵有很多保護(hù)，包括UVLO，系統(tǒng)Vcc未達(dá)到某一定值之前，整個功率芯片會處于鎖定狀態(tài)，可有效避免功率器件在某些異常條件下出現(xiàn)工作失效的情況。t3Xesmc

GaNSense™技術(shù)提升了哪些性能？

談到GaNSense™技術(shù)做了哪些升級，黃秀成主要展示兩張PPT圖片來強調(diào)該技術(shù)帶來的性能優(yōu)勢。t3Xesmc

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隨著電源行業(yè)的發(fā)展，包括手機(jī)功率、充電功率需求的提升，以及更多應(yīng)用場景的出現(xiàn)，氮化鎵技術(shù)的更迭也在持續(xù)進(jìn)行。以上這張圖很形象地展示了納微半導(dǎo)體氮化鎵功率芯片進(jìn)步的目標(biāo)，相比于傳統(tǒng)的硅和分立式GaN，GaNFast™系列已經(jīng)發(fā)揮出氮化鎵的速度和潛能。而在GaNSense™技術(shù)基礎(chǔ)上，新一代GaNFast™又做了性能方面的提升，其中包括無損的電流采樣、智能的待機(jī)（解決了GaNFast™以前相對不足的地方），人體的ESD、過溫過流保護(hù)等。 t3Xesmc

“我們的電流采樣是通過無損的方式，它會去采集一些電流信息，然后經(jīng)過信號處理，在芯片外部放置一個可編程的電阻，該電阻的大小可以調(diào)比例，然后去原樣復(fù)現(xiàn)流經(jīng)GaN功率器件的電流。這對信號處理和采樣的精準(zhǔn)度要求很高。”黃秀成解釋說，6134產(chǎn)品的精準(zhǔn)度相對較高，雖然它的規(guī)格書上注明的偏差接近4%到5%，但是公司上千個測試結(jié)果顯示，其采樣精度誤差大概在正負(fù)1.36%以內(nèi)，這樣的精度可以在電源系統(tǒng)設(shè)計里面，比較隨意地去使用電流采樣的技術(shù)，能精準(zhǔn)地控制閉環(huán)采樣、過流/過溫保護(hù)等。t3Xesmc

·無損采樣

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無損采樣會對電源系統(tǒng)產(chǎn)生怎么樣的影響？首先，把無損采樣代替原來采樣電阻功能，意味著在功率回路里有功率器件和功率采樣電阻這兩個產(chǎn)生損耗的元件，無損采樣則完全把采樣電阻的損耗節(jié)省下來，這樣功率回路里面的通態(tài)損耗也會減半，這意味著能效的提升。無損采樣還能減少PCB的布局，原來采樣電阻通常會采用3mm x 4mm封裝采樣電阻的形式，通過內(nèi)部集成無損采樣之后，器件內(nèi)PCB布局的面積更小，布局會更靈活、更簡單。還能改善熱耦合的問題，原來有兩個發(fā)熱元件在系統(tǒng)里，現(xiàn)在拿掉了其中的一個，所以熱系數(shù)更好、耦合系數(shù)更低、系統(tǒng)的效率也會更高。t3Xesmc

·過流保護(hù)

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傳統(tǒng)的硅器件以及上一代GaNFast™系列，外部還是需要一個采樣電阻，采樣電阻采到的信號交由控制器判斷是否發(fā)生過流情況，控制器為了避免噪聲問題，有一個Delay（時延）的問題，通常它的反應(yīng)時間在300納秒左右，這是傳統(tǒng)控制器的反應(yīng)時間。用了GaNSense™技術(shù)之后，電流采樣技術(shù)在內(nèi)部做信號處理，納微半導(dǎo)體設(shè)定一個閾值，如果觸碰到這個閾值，其反應(yīng)時間可遠(yuǎn)小于100納秒，節(jié)省出來的200納秒，可以避免系統(tǒng)因異常情況，比如短路、過功率等，所造成變壓器的電流急劇上升。t3Xesmc

·過溫保護(hù)

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過溫保護(hù)對于功率器件的保護(hù)非常關(guān)鍵，納微半導(dǎo)體的保護(hù)機(jī)理也是設(shè)置一個區(qū)間，通常設(shè)定的閾值是160℃，當(dāng)溫度超過160℃之后，功率器件不管外部的PMW信號，可直接關(guān)掉芯片，這樣芯片會自然冷卻。當(dāng)冷卻溫度低于100℃時，系統(tǒng)會再去參考PMW信號，當(dāng)有信號時候功率器件會繼續(xù)工作，如果過溫的異常情況并沒有解除，芯片的溫度還是在往上升，再升到160℃時會繼續(xù)關(guān)斷，這是納微半導(dǎo)體在區(qū)間內(nèi)精準(zhǔn)控制節(jié)溫的范圍。t3Xesmc

·智能待機(jī)

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盡管現(xiàn)階段能效標(biāo)準(zhǔn)中的待機(jī)功耗比較寬松， 比如75mW，但是很多OEM、ODM工廠都會要求待機(jī)做到30mW以內(nèi)。納微半導(dǎo)體早期的GaNFast™系列，因為里面集成了芯片的功能，靜態(tài)電流為700微安或1毫安，考慮到待機(jī)問題外邊增加一個線路，待機(jī)時會自動切斷Vcc，因此系統(tǒng)相對復(fù)雜?，F(xiàn)在基于GaNSense™技術(shù)的新一代GaNFast™芯片更加完善，該系列芯片會智能檢測PWM信號，當(dāng)PWM信號工作正常時，不會發(fā)揮智能待機(jī)的功能，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入跳周期模式之后，通過智能檢測可讓芯片進(jìn)入待機(jī)模式，整個待機(jī)電流從原來的接近1毫安，降到接近100微安，可顯著降低待機(jī)功耗。當(dāng)芯片進(jìn)入待機(jī)之后，當(dāng)?shù)谝淮纬霈F(xiàn)脈沖時，只需30納秒就可以進(jìn)入正常工作模式。t3Xesmc

基于GaNSense™技術(shù)的芯片已上線

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目前，基于GaNSense™技術(shù)的新系列產(chǎn)品已經(jīng)上線，新系列有不同的封裝尺寸，包括6mm × 8mm、5mm × 6mm等2種尺寸可以選擇；電阻最小可到120毫歐，最大是為450毫歐，該范圍能較好地覆蓋從20多瓦快充和100-200瓦快充系列。t3Xesmc

GaNSense™主要有三個應(yīng)用場景：第一個，快充QR Flyback的應(yīng)用場景，可代替掉原來的主管和采樣電阻；第二個，帶PFC功能的器件，在90V輸出條件下，至少可以提升0.5%的能效；第三個，非對稱半橋應(yīng)用，隨著PD3.1的代入，非對稱半橋拓?fù)湟欢〞鹌饋?，這個拓?fù)淅锩嬗袃蓚€芯片，作為主控管可用GaNSense™，也需要采樣電流，上管作為同步管可以用GaNFast™系列代替。t3Xesmc

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已經(jīng)有部分客戶在使用GaNSense™技術(shù)芯片，包括小米120W的氮化鎵充電器，它是目前業(yè)界最小的120W的解決方案，里面集成了PFC+QR的系統(tǒng)框架，內(nèi)部使用了兩顆NV6134 GaNSense™系列芯片，GaNSense™解決方案比硅方案提升了1.5%的效率；聯(lián)想YOGA65W雙C也采用了NB6134的解決方方案。t3Xesmc