2021年10月底，小米推出業(yè)界最小的120W新款氮化鎵（GaN）充電器，帶Type－C接口，體積更小，賣點(diǎn)：“小巧一點(diǎn)，強(qiáng)大很多”。小米并沒(méi)有說(shuō)其中采用了什么技術(shù)，還以為和以前一樣，就是現(xiàn)有的GaN功率器件唄，肯定是要比已量產(chǎn)硅方案強(qiáng)很多。
直到納微半導(dǎo)體（Navitas）剛剛發(fā)布了全球首款采用GaNSense技術(shù)的智能GaNFast氮化鎵功率芯片，這才豁然以明：上述產(chǎn)品使用了兩顆NV6134 GaNSense系列器件，相比傳統(tǒng)硅方案效率提升1．5％，僅需15分鐘就能充滿電。
那就讓我們來(lái)看看這GaNSense為什么如此神通廣大吧！
GaN公司一路走來(lái)
20年前就有了GaN材料，而硅的應(yīng)用比氮化鎵早30年以上。最近幾年，GaN通過(guò)自身優(yōu)化、產(chǎn)能提升、成本控制，慢慢在在消費(fèi)、工業(yè)應(yīng)用中落地。
納微半導(dǎo)體銷售運(yùn)營(yíng)總監(jiān)李銘釗介紹說(shuō)，納微2014年成立，創(chuàng)始人和CEO是Gene Shenidan，兩位聯(lián)合創(chuàng)始人是Dan Kinzer和Jason Zhang，后者是應(yīng)用兼技術(shù)營(yíng)銷副總裁，是一位華人。這三個(gè)人曾在同一家公司中合作超過(guò)30，他們把以往的工作經(jīng)驗(yàn)帶到納微。現(xiàn)在納微已經(jīng)獲批專利超過(guò)200多件，還有100多件在準(zhǔn)備申請(qǐng)中。納微前4年納微一直在摸索，探索和改善技術(shù)，2018年才做出第一個(gè)可以量產(chǎn)的產(chǎn)品。
今年10月，納微半導(dǎo)體在納斯達(dá)克成功上市，上市當(dāng)天的估值10億美元。值得一提的是，納微中國(guó)團(tuán)隊(duì)成立3年多，為公司貢獻(xiàn)了7成營(yíng)收。其中國(guó)團(tuán)隊(duì)有60多人，占納微全球人員超過(guò)40％。未來(lái)，納微中國(guó)將加快對(duì)客戶設(shè)計(jì)的支持，進(jìn)一步增加銷售、研發(fā)團(tuán)隊(duì)覆蓋全球市場(chǎng)的能力，同時(shí)擴(kuò)張芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。
在芯片制造方面，納微現(xiàn)在主要在臺(tái)積電2號(hào)工廠生產(chǎn)，主要是16英寸晶圓。其封裝用的是全球前三的封裝廠，品質(zhì)控制做到出貨3000萬(wàn)顆GaN功率芯片零失效；生產(chǎn)交付時(shí)間為12周左右。
納微半導(dǎo)體高級(jí)應(yīng)用總監(jiān)黃秀成補(bǔ)充說(shuō)，在GaN上做芯片確實(shí)是納微的原創(chuàng)，2000年初就開(kāi)始研究GaN，在這方面積攢了非常多的經(jīng)驗(yàn)。作為第一個(gè)吃螃蟹的人，納微確實(shí)走過(guò)了很多艱辛的路，通過(guò)不停的探索，現(xiàn)在做GaN芯片更加輕車熟路，從之前的GaNFast到今天的GaNSense，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)周期越來(lái)越短。
時(shí)至今日，全球超過(guò)140款量產(chǎn)充電器使用了納微方案，約150款產(chǎn)品在研發(fā)階段，未來(lái)12個(gè)月將會(huì)看到這些新產(chǎn)品陸續(xù)上市。
為什么從手機(jī)充電起步？
GaN開(kāi)關(guān)速度快20倍，體積和重量更小，節(jié)能可達(dá)40％，功率密度提升3倍，特別適合快充方案。這都是和硅比。
所以，GaN應(yīng)用場(chǎng)景主要是手機(jī)充電器，為什么充電器中普及很快呢？主要有兩個(gè)原因，第一，手機(jī)電池越來(lái)越大，從以前的2000mA時(shí)到現(xiàn)在的5000mA時(shí)。GaN的優(yōu)勢(shì)是提升充電器功率，可以縮短充電時(shí)間，讓電池體積變小。另外，采用USB－A和USB－C的電子設(shè)備越來(lái)越多，多頭充電器市場(chǎng)非常大，GaN大有用武之地。
隨著電源行業(yè)的發(fā)展，手機(jī)、充電器功率需求越來(lái)越高，出現(xiàn)了更多應(yīng)用場(chǎng)景，GaN技術(shù)迭代也在持續(xù)進(jìn)步。從納微GaN功率芯片的進(jìn)步可以看出，相比傳統(tǒng)硅和分立式GaN器件，此前的GaNFast系列發(fā)揮了GaN的速度和潛能，其中集成了驅(qū)動(dòng)和基本保護(hù)功能，工作頻率從傳統(tǒng)的幾十到200kHz方案提升到MHz級(jí)別。
關(guān)于開(kāi)關(guān)頻率和EMI的問(wèn)題，黃秀成表示，EMI并不會(huì)成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問(wèn)題。只要設(shè)計(jì)合理，對(duì)傳輸途徑和阻礙EMC解決方案有很清晰的了解，就會(huì)發(fā)現(xiàn)高頻化后EMC解決方案反而更簡(jiǎn)單。開(kāi)關(guān)頻率低，意味著L和C要很大，所以體積和成本就會(huì)很高；采用高頻后，如果很好地處理傳輸途徑，合理設(shè)計(jì)，基波頻率高了，意味著L和C更小，體積和成本就可以降低。使用GaN做高頻電源的工程師們慢慢能體會(huì)到的一些真諦。
功率GaN流派孰優(yōu)孰劣？
據(jù)介紹，功率GaN的發(fā)展主要有兩個(gè)流派：一個(gè)是eMode常開(kāi)型，另一個(gè)eMode是常關(guān)型，納微代表的是后者。相比常關(guān)型GaN功率器件，納微進(jìn)一步做了集成，包括驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和控制。
傳統(tǒng)硅器件參數(shù)不夠優(yōu)異，開(kāi)關(guān)速率、頻率都受到極大的限制。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率較低，電感電容尺寸比較大，電源功率密度比較低，通常小于0．5W／cc。另外，分立式GaN因?yàn)槭芟抻隍?qū)動(dòng)電路復(fù)雜性，如果不把驅(qū)動(dòng)集成到功率器件中，受限于外部器件布局、布線，無(wú)法發(fā)揮GaN應(yīng)有潛力。雖然，一些廠商可以設(shè)計(jì)出相對(duì)比較高的功率密度，但是也沒(méi)有遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到1W／cc的數(shù)字。
GaN功率芯片集成后能帶來(lái)什么好處呢？納微的GaN器件集成了控制、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)，可以不依賴于外部集成參數(shù)，可以充分釋放開(kāi)關(guān)頻率，電源適配器的主流開(kāi)關(guān)頻率可以做到300、400kHz，模塊電源已經(jīng)有客戶做到了MHz。用經(jīng)過(guò)集成的方案設(shè)計(jì)出來(lái)的功率密度比傳統(tǒng)硅或分立式GaN高了很多，目前好多案例遠(yuǎn)大于1W／cc。
以上說(shuō)的是此前的GaN功率芯片，那么現(xiàn)在呢？
GaNSense集成帶來(lái)四大提升
GaNSense技術(shù)通過(guò)進(jìn)一步集成在GaNFast基礎(chǔ)上做了幾大性能提升，包括無(wú)損采樣、過(guò)流保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)和智能待機(jī)。
黃秀成介紹坦承，目前納微GaN器件的主流系列是GaNFast，其驅(qū)動(dòng)控制和保護(hù)在功率器件上面，采用的是QFN封裝。其大體布局和傳統(tǒng)硅和分立式區(qū)別不大，有漏極、源極和PWM，外加3個(gè)控制驅(qū)動(dòng)。作為功率芯片，其外部有一個(gè)Vcc供電，范圍非常寬（10V－30V），外圍控制器可以適應(yīng)Vcc范圍。
由于GaN芯片設(shè)計(jì)存在一些難點(diǎn)，處理基準(zhǔn)電壓比較難，所以器件外部用一個(gè)穩(wěn)壓管來(lái)產(chǎn)生內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，把寬范圍Vcc調(diào)整成內(nèi)部真正需要驅(qū)動(dòng)GaN功率器件的母線電壓。PWM內(nèi)部有很多磁滯電路，做了降噪處理。相比傳統(tǒng)硅或者分立式GaN，在內(nèi)部保護(hù)、UVLO的Vcc未達(dá)到某一定值之前，整個(gè)芯片處于鎖定狀態(tài)，以避免器件在某些異常條件下工作失效。
GaNFast集成了驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了基本保護(hù)功能。而GaNSense技術(shù)又進(jìn)一步，實(shí)現(xiàn)了幾個(gè)突出的性能優(yōu)點(diǎn)。
無(wú)損可編程電流采樣
原來(lái)系統(tǒng)中有一個(gè)采樣電阻，調(diào)整可編程電阻可以改變可編程電壓。用無(wú)損采樣代替原來(lái)的采樣電阻，電源回路中的通態(tài)損耗會(huì)減半，意味著能效提升。另外還減少PCB面積，布局更靈活、簡(jiǎn)單。在熱耦合方面，系統(tǒng)中原來(lái)有兩個(gè)發(fā)熱元件，現(xiàn)在去掉了一個(gè)，熱系數(shù)更好，器件工作溫度更低，效率也會(huì)更高。
過(guò)流保護(hù)
傳統(tǒng)上，GaNFast系列外部需要一個(gè)采樣電阻，其信號(hào)送給控制器判斷是否發(fā)生過(guò)流。為了避免噪聲，控制器有一個(gè)延遲，通常反應(yīng)時(shí)間在300ns左右。在GaNSense技術(shù)中，基于采樣信號(hào)內(nèi)部設(shè)定一個(gè)過(guò)流閾值，在內(nèi)部做信號(hào)處理，觸及這個(gè)閾值時(shí)反應(yīng)時(shí)間小于100ns，節(jié)省出來(lái)200ns可以避免系統(tǒng)因短路、過(guò)功率等造成變壓器電流急劇上升的情況。
過(guò)溫保護(hù)
目前的保護(hù)機(jī)理也是設(shè)置一個(gè)區(qū)間，當(dāng)GaN片芯溫度超過(guò)設(shè)定閾值（通常160℃），不管有沒(méi)有外部PMW信號(hào)，直接關(guān)斷芯片，讓它自然冷卻，直到低于100℃，再去參考PMW信號(hào)，有信號(hào)則繼續(xù)工作，如果異常沒(méi)有解除，溫度還在上升，則保持關(guān)斷，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制結(jié)溫。
智能待機(jī)
現(xiàn)在，比較寬松的范圍是75mW，但是很多OEM、ODM都會(huì)要求待機(jī)做到30mW。所以，早期的GaNFast其他性能都非常好，但因?yàn)榭紤]待機(jī)問(wèn)題，通常外邊會(huì)做個(gè)電路，切斷待機(jī)Vcc，所以系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。GaNSense技術(shù)更加完善，可以智能檢測(cè)PWM信號(hào)，當(dāng)PWM信號(hào)工作正常時(shí)，智能待機(jī)不動(dòng)作；當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入跳周期模式，通過(guò)檢測(cè)讓芯片進(jìn)入待機(jī)模式，待機(jī)電流從原來(lái)的接近1mA降到接近100μA，待機(jī)功耗可以下降很多。另外，進(jìn)入待機(jī)后，第一次出現(xiàn)脈沖30ns就可以馬上進(jìn)入正常工作模式。
量產(chǎn)、支持、合作同步推進(jìn)
采用GaNSense技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)上線，系列更全，有不同封裝，如6mm×8mm、5mm×6mm，選擇也更多，目前的5種最小為120mΩ，最大是450mΩ，范圍覆蓋從20W快充和100－200W快充。
納微半導(dǎo)體高級(jí)研發(fā)總監(jiān)徐迎春介紹說(shuō)，納微GaN提供的高可靠和集成驅(qū)動(dòng)一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，集成驅(qū)動(dòng)除了提高量產(chǎn)可靠性，還對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性至關(guān)重要。因?yàn)镚aN是一個(gè)新的器件，需要采用全新的設(shè)計(jì)，所以，納微在中國(guó)成立了非常強(qiáng)大的AE團(tuán)隊(duì)，以支持2021年2022年即將量產(chǎn)的160個(gè)產(chǎn)品。
深圳、杭州和上海的AE團(tuán)隊(duì)將從客戶需求定制、原理圖繪制，到整個(gè)布版設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)裝配、樣機(jī)測(cè)試、分析，直到小批量試產(chǎn)、中批量試產(chǎn)、大批量量產(chǎn)，提供全程的服務(wù)。其背后有從美國(guó)回來(lái)的黃秀成博士帶領(lǐng)的博士團(tuán)隊(duì)、很多10到20年工作經(jīng)驗(yàn)的工程師的支持，還有與上游磁芯平面變壓器、控制器廠家的合作，可以根據(jù)客戶需求實(shí)現(xiàn)聯(lián)合設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。
納微還與全球很多學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、學(xué)院都有緊密合作，包括美國(guó)電力電子研究中心（CPES）、佛羅里達(dá)州立大學(xué)、斯坦福大學(xué)，開(kāi)展各種高頻、高密度電源的研究。在中國(guó)跟浙大、福州大學(xué)、南航等幾所電力電子界知名高校有一些合作項(xiàng)目和課題研究，以此保證納微半導(dǎo)體在芯片、器件、系統(tǒng)應(yīng)用層面的領(lǐng)先。
跳出手機(jī)充電圈
手機(jī)充電器領(lǐng)秀群倫，卻在“吃著碗里看著鍋里”，從消費(fèi)類快充，拓展到數(shù)據(jù)中心、汽車領(lǐng)域，這就納微的野心所在。
黃秀成表示，目前納微的主要應(yīng)用還是在消費(fèi)類電源，但是公司藍(lán)圖一定是往數(shù)據(jù)中心、汽車方向拓展。設(shè)計(jì)難點(diǎn)肯定會(huì)有，包括汽車要求的芯片功率等級(jí)、電壓等級(jí)和可靠性方面有更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。納微半導(dǎo)體對(duì)芯片設(shè)計(jì)、可靠性驗(yàn)證內(nèi)部規(guī)范也會(huì)更加的嚴(yán)苛。在量產(chǎn)方面，良率也是非常大的挑戰(zhàn)，目前納微在這方面做的非常好，未來(lái)在良率方面還繼續(xù)突破。數(shù)據(jù)中心、電動(dòng)汽車要求更大功率的器件，納微一定會(huì)下更多工夫克服技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更高的可靠性和良率。
李銘釗補(bǔ)充說(shuō)，GaN在汽車市場(chǎng)的增長(zhǎng)潛力比較看好，在汽車方面主要有兩個(gè)應(yīng)用，一個(gè)是OBC，一個(gè)DC－DC。因?yàn)楣柙谑袌?chǎng)中超過(guò)50年的歷史，碳化硅（SiC）走在GaN前面10年左右，GaN最近這三五年才落地才應(yīng)用，所以還是需要時(shí)間把這個(gè)材料和產(chǎn)品應(yīng)用到不同領(lǐng)域。
他透露，目前納微半導(dǎo)體跟國(guó)外的汽車零件生產(chǎn)公司已經(jīng)開(kāi)始合作，并將與歐洲汽車生產(chǎn)商啟動(dòng)一個(gè)大型項(xiàng)目。
從消費(fèi)類開(kāi)始鋪墊，占領(lǐng)巨大市場(chǎng)后再拓展到其他產(chǎn)業(yè)鏈，正是納微半導(dǎo)體未來(lái)GaN市場(chǎng)布局的戰(zhàn)略規(guī)劃。而在納微未來(lái)5年的計(jì)劃中，服務(wù)器是第二步，工業(yè)類是第三步，汽車類是第四步，值得期待。
