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意法推出USB-IF認證開發板 提升USB-C互通性和快充速度

意法半導體(ST)推出USB-IF認證開發板,協助設備商升級電池供電產品,享受最新USB Power Delivery(USB PD)技術所帶來的好處,包括更快的充電速度以及可以簡單重覆使用的USB-C充電器和充電線。 隨著手機等電子產品的電池容量逐漸提升,通用快充生態系統正在迅速發展。最新USB PD充電器將最大功率提升到100W,而USB Programmable Power Supply(USB PPS)功能則可動態調整電流電壓,優化充電性能。過去使用舊式USB micro-B插孔或其它專有連接埠充電的智慧揚聲器、電動工具、穿戴式裝置、機器人、遊戲搖桿、行動電源、無人機等各種電子產品,現在可以透過這個生態系統享受USB-C技術所帶來的優勢和互通性,並提升充電的速度。 為了支援這項技術升級,意法開發出一款USB開發者論壇(USB-IF)認證的100W PPS USB受電設備(PSD)評估板,其可加速新設計的研發,還可輔助客戶完成最終產品認證。 這款經過認證的產品整合意法的Nucleo-G071RB和X-Nucleo-USBPDM1開發板。Nucleo-G071RB搭載業界首款整合USB Type-C PD控制器的通用微控制器STM32G0,可以帶來更高的系統整合度,以及支援新的案例。X-Nucleo-USBPDM1板載意法TCPP01-M12埠保護配套晶片。此外,客戶可以透過STM32生態系統的強大開發工具和軟體,快速、輕鬆地完成研發專案。現有之舊式5V USB充電功能的微控制器產品,只需增加少量外部元件即可升級到USB Type-C。
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功率半導體現快充商機 GaN挾高效能進軍消費市場

氮化鎵(GaN)成為電子產業的熱門技術,圍繞氮化鎵的產品、可靠性和解決方案是目前業界關注焦點。其中2020年是消費類充電器,特別是快充市場快速發展的重要時間。隨著市場不斷成熟和趨勢日益明確,消費者對小尺寸和高功率快速充電器的需求越來越大,市場前景可期。GaN快充的其中兩個重要技術指標就是高功率密度和高效能。高功率密度呈現在同一額定功率下的小體積,而高效能則表現於節能環保和更低的工作溫度上。氮化鎵零組件由於具有極高的開關速度及同一晶圓下的小導通電阻,使得更高的效能和開關頻率快速充電成為可能。 2020年採用氮化鎵零組件的快充技術進入快速發展階段,根據產業調查顯示,作為消費類電子指標的手機產業中,目前已經有華為、小米、OPPO等多個知名品牌推出了使用氮化鎵的快充產品。電商方面,更有多達20個品牌先後推出氮化鎵快充產品。本文將探討充電器的技術發展趨勢和氮化鎵功率零組件在高功率、小型化需求下的巨大市場前景。 圖1總結了兩個常見的功率段下,充電器的主要電路和功率密度以及效能指標要求。針對75W以下(30W~65W)的充電器,目前主要電路為單端準諧振(Quasi-Resonant,QR)返馳或主動鉗位返馳(Active Clamp Flyback, ACF)兩種電路。最高效能指標要求接近94%,功率密度要求20W/in3。而高於75W(100W~300W)的充電器,目前基本採用兩級電路方案,前級是功率因數校正電路(PFC),後級為LLC諧振或其他隔離DC/DC電路。最高效能目標要求達到95%,功率密度要達到22W/in3以上。與傳統矽(Si)基功率零組件相比,新材料的氮化鎵零組件具有更高的性能,為充電器,特別是快充產品的小型化和高效能帶來新的可能。 圖1 充電器市場拓撲電路和技術指標 氮化鎵效能高於矽基零組件 氮化鎵零組件由於其寬能隙特點,它的主要優勢在於高開關速度和低開關損耗上。另外,相比同一晶圓大小的功率零組件,氮化鎵功率零組件具有低於矽基零組件的通態電阻,因此系統層面可以帶來更高效能、低工作溫度和小體積的特點,非常適用於小體積、高功率密度的充電器產品設計。總結已量產的氮化鎵功率零組件與目前市場上較優的矽基MOSFET進行比較,可以發現氮化鎵零組件在具有較低的通態電阻下,同時兼具更低的驅動電荷Qg、漏柵極電荷Qgd和輸出能量Eoss,使得高頻率高效能成為可能。 圖2是典型的準諧振(QR)返馳電路拓撲,由於它的低成本和較高可靠性,多用於充電器電路中。在電路中為了提高充電器的功率密度,一個直接的方法就是增加開關頻率來降低變壓器等元件的尺寸。然而提高開關頻率以後,必然將帶來額外的零組件開關損耗和升溫。QR返馳電路主要有兩個與開關頻率相關的損耗,頻率越高相應損耗越大: 1.在功率零組件關斷瞬間原邊電流達到峰值電流,功率零組件在硬關斷過程關閉,存在電壓電流交疊的關斷損耗。可以由零組件驅動電荷Qg和漏柵極電荷Qgd參數來評估。 2.在零組件開通時刻,由於此時電流基本為零,因此不存在開通電壓電流交疊開關損耗,但QR返馳電路在高壓交流電壓輸入(230Vac)條件下零組件開通瞬間漏源極電壓並不為零,所以存在由於內部寄生電容放電產生的放電損耗。它可以由寄生電容對應的輸出能量Eoss參數來評價。 圖2 典型的準諧振(QR)反激電路拓撲和開關過程中的損耗 評價一個功率零組件特性重要指標是品質因數(Figure Of Merit, FOM),它綜合評估零組件的通態和開關特性,越小的FOM代表越優的零組件性能。其中Input FOM表明了零組件在同等通態電阻下,零組件的開關過程中電壓電流交疊損耗,它是硬開關電路評估零組件最重要的指標,例如QR返馳電路的關斷損耗就可以用這個指標來比較。如圖3所示,在相近通態電阻(50~60毫歐)條件下,氮化鎵零組件的漏柵極電荷Qgd僅為矽基零組件的6%,導致開關過程中氮化鎵零組件電壓電流交疊損耗遠小於矽基零組件,約為矽基零組件的五分之一。 圖3 氮化鎵和矽基零組件總電荷比較,以及交疊開關損耗比較 QR Flyback FOM表明QR返馳電路中在同等通態電阻下零組件在200V下寄生電容產生的放電損耗,這裡電壓條件為200V是因為,當輸入交流電壓為高壓230Vac條件下,QR返馳電路功率零組件漏源極電壓約為200V條件下開通,將在此條件下產生寄生電容影響的開通損耗。圖4可以看到,在相近的通態電阻下,氮化鎵零組件的Eoss僅為矽基零組件的60%左右,導致開通電容放電損耗遠低於業界良好的矽基零組件。因此總結分析,氮化鎵零組件在各方面零組件性能上均優於矽基MOSFET零組件,適用於高頻化高效應用,實現優異性能。 圖4 氮化鎵和矽基零組件的輸出能量Eoss比較 產品應用及可靠性測試 從研發工程師的角度分析,在研發充電器產品時主要關注以下三個方面:第一是產品的可靠性,代表零組件在產品壽命中具有高的可靠性和低的失效率,滿足產品的設計壽命;第二是低成本,除了零組件自身成本以外,還需要考慮整體的BOM成本和生產成本;第三是產品能夠快速推向市場,縮短產品設計周期。 例如廠商GaN Systems一直致力於氮化鎵功率零組件的研發和生產,目前已經擁有完整的產品應用領域、高效工作電流和優良封裝的氮化鎵產品線。其中針對快充市場,GaN Systems推出650V 5×6毫米PDFN封裝的氮化鎵零組件,通態電阻從150毫歐(GS-065-011-1-L)到450毫歐(GS-065-004-1-L),可以用於30W到300W的充電器產品中。可靠性方面,GaN Systems按照JEDEC標準的產品認證流程,具有部分測試高於JEDEC標準的測試項目和延長測試時間的倍數。同時基於氮化鎵零組件自身特性,增加了多個額外可靠性測試項目,比如高溫開關動態壽命測試,以確保氮化鎵產品的可靠性和工作壽命。 EZDrive驅動方案 對於增強型氮化鎵零組件驅動,驅動電壓為6V左右,關斷電壓可以為0~10V,而傳統的帶驅動的充電器控制IC輸出驅動電壓一般為12V,因此為了和控制IC的驅動電壓配合,需要進行驅動電壓的電平轉換。其中GaN Systems提出了低成本的EZDrive電平轉換電路,透過簡單的四個小分離元件(RUD/CUD/ZDUD1/ZDUD2)實現驅動電壓的轉換,採用該電路後,氮化鎵零組件驅動實測波型VGS沒有任何過充和干擾振盪(圖5)。 圖5 EZDrive電平轉換電路和驅動波形 使用EZDrive電平轉換電路配合氮化鎵零組件驅動的另一個優勢在於,其驅動電阻Ron和Roff外置(圖6),可以透過驅動電阻來控制漏源極驅動電壓斜率dv/dt進而優化EMI設計。和其他單晶片整合驅動GaN方案相比,氮化鎵零組件加上EZDrive電平轉換電路具有更強的靈活性,並充分利用控制IC內部整合的驅動,實現低成本驅動氮化鎵零組件,同時由於驅動電阻外置,可以控制開關dv/dt斜率達到優化電磁干擾(EMI)設計的目的。 圖6 EZDrive電平轉換電路控制漏源極電壓上升和下降斜率dv/dt 氮化鎵充電器解決方案 採用氮化鎵功率零組件,能夠為充電器特別是快充產品的小型化、高效能、低溫度和低成本帶來可能,將會帶來新的市場機會。為了加速氮化鎵產品的設計與開發,GaN Systems推出針對快充等充電器市場的解決方案,方案覆蓋了30W到300W的功率等級,包含多個充電器常見功率和電路拓撲(準諧振QR返馳/主動鉗位返馳ACF/LLC諧振/功率因數校正PFC等),這些方案都採用了氮化鎵零組件實現高效能和功率密度。圖7是整合650V 5×6毫米PDFN封裝的氮化鎵零組件和EZDrive驅動電平轉換電路的子板(Daughter Card)。可以利用子板快速取代TO220等封裝矽基MOSFET零組件,以評估氮化鎵零組件在性能上的優勢。其中EZDrive電平轉換電路利用四個小分離元件(R1/C1/D2/D3)實現氮化鎵零組件與傳統驅動器或控制器IC的低成本相容。 圖7 氮化鎵5×6毫米PDFN零組件及EZDrive電平轉換電路小子板參考設計 65W高功率密度(18.5W/in3)PD方案是針對快充市場新推出的整體解決方案(圖8),其攜帶了150毫歐氮化鎵零組件(GS-065-011-1-L),採用準諧振電路達到低成本、高頻率解決方案。方案最高效能接近94%,滿足CoC V5 Tier2的效能和待機功耗要求,帶殼高殼溫低於65度以下。除了兩層PCB板低成本設計、高效能和高功率密度之外,方案通過安規標準及EN55032 B類EMI傳導和輻射的全面測試,支援USB-C多種協定輸出,協助使用者縮短產品設計周期,產品快速推向快充消費市場。 圖8  65W PD快充參考設計 如圖9所示,300W高功率密度AC/DC充電器方案使用GS66504B氮化鎵零組件,電路採用同步升壓PFC和LLC諧振電路中,實現了最高95%的效能,34W/in3的功率密度,滿足EN55032 B類EMI傳導要求。其中LLC諧振軟開關電路開關頻率達到500kHz,展現氮化鎵功率零組件在高頻軟開關電路下的獨特優勢。 圖9...
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滿足消費應用需求 GaN快充市場潛力不容小覷

手機/平板/筆電的螢幕尺寸、應用程式等功能快速成長,每人擁有的電子設備與穿戴裝置增加,導致電源需求同步提升,多接孔且充電快速的充電器順勢成為市場熱門的應用之一。同時面對矽材料在能量密度等方面的理論極限,為提升電源的轉換效率與功率密度,氮化鎵(GaN)逐漸成為受到製造商關注的功率半導體應用。投入GaN產品研發的廠商中,部分製造商專攻200V以下的消費電子市場,而GaN快充便是消費電子產品中商品化最為快速的應用。本文將整理GaN在消費性電子市場的應用分析與發展挑戰,探究GaN在消費電子市場的潛能,以及未來應用方向。 GaN快充應用看漲 今年GaN快充應用的熱潮,從1月CES 2020的參展狀況可略知一二。GaN System台灣區業務總經理林志彥(圖1)描述,CES 2020中,約有50-60家的台灣及中國的消費電子配件品牌參展,並推出超過100件採用GaN的產品。納微半導體(Navitas)銷售和市場副總裁Stephen Oliver(圖2)認為,2020年即是GaN在智慧型手機/平板/筆電快充產品的應用快速發展的一年。過去幾年間,從統計數據中可以發現,螢幕與電池的尺寸持續增加(圖3),同時Oppo、Vivo、聯想(Lenovo)、小米已推出手機搭載65W以上的充電器,代表使用者需要快充滿足逐漸增加的電源需求。除了先前主攻售後市場的AUKEY、Anker、RAVpower及Belkin,其他製造商如聯想、三星(Samsung)、Oppo與小米採用GaN快充作為售後的手機配件,甚至可能將其提升為原廠標配(圖4)。 圖1 GaN Systems台灣區業務總經理林志彥 圖2 納微半導體銷售和市場副總裁Stephen Oliver 圖3 2017-2020年智慧型手機及電池尺寸變化   資料來源:Navitas 圖4 2020年Q2 OEM廠商充電器分布   資料來源:Navitas 除了GaN快充產品在消費端需求顯著,製造商同時看好GaN高效率、低導通損耗、外型小巧且適用於高頻率的材料特性。Yole化合物半導體/新興材料技術與市場分析師Ezgi Dogmus解釋(圖5),技術上,GaN在系統整合方面有兩大主要趨勢:系統單晶片(SoC)、系統級封裝(SiP)。針對技術平台,有兩種為了GaN部署的半導體基板:採用藍寶石基板的GaN-on-sapphire、使用矽基板的GaN-on-Silicon。兩種技術都發展良好,可望在明年成為熱門應用。整體而言,GaN快充系統的成本、尺寸及效能,將會創造比其他充電產品更大的市占率。 圖5 Yole développement化合物半導體技術與市場分析師Ahmed Ben Slimane(左)、Yole  développement化合物半導體/新興材料技術與市場分析師Ezgi Dogmus(右) 廠商競爭刺激產量 面對新應用如GaN快充,產品成功最重要的關鍵在於開創市場,讓技術被市場接受並且獲利。Stephen Oliver提到,相較於使用矽,採用納微GaNFast功率晶片的充電器,在整合GaNFET/驅動器/邏輯與數位電路的前提下,可以達到充電速度加快三倍,同時體積減少一半,兼顧性能與價格的優勢。例如廠商AUKEY使用GaNFast晶片製造61W的快充,其體積比蘋果充電器小65%。 如果著重觀察消費市場對新技術/產品的接受度,價格便是驅動需求的主因。林志彥舉例,小米已推出的GaN快充電源售價約台幣700元,成為市場高度接受的產品之一。此外,長期而言,小體積的GaN所需材料少於矽充電器,因此若產量提高甚至進入自動化生產階段,價格將更有明顯的競爭優勢。 生產方面,消費電子產品通常由製造商設定價格、效能與外型規格標準,快充也是如此。Yole分析師說明,GaN作為一項新技術,主要的挑戰在於價格與採用率,而這些又都受限於OEM廠商的嚴格要求與市場布局。截至2020年第二季的GaN市場持續波動(圖6),GaN仍具突破與成長動能。Yole分析師預估,接下來的18個月內,市場會維持相似的浮動狀態,因此國際大廠如三星、華為在產品標配中採用GaN快充的規畫中激烈競爭,蘋果(Apple)可能也會加入戰局,廠商間的競爭將會大力刺激市場銷量,同時導致GaN快充產量上升且價格快速下降。 圖6 功率GaN裝置市場營收趨勢  資料來源:Yole 現階段的GaN快充功率以65W為主流,Stephen Oliver表示,接下來三至五年間,GaN快充的研發必然朝著功率密度更高、充電更快的方向前進,例如聯想預計在今年九至十月左右推出搭載90W電池的手機。新型態的消費者更依賴電子設備提供的工作與娛樂功能,但生活節奏加快、設備的電池容量增加,無法等待漫長時間的來完成充電,因此不斷增長的充電速度即是因應市場需求,Stephen Oliver認為未來功率GaN晶片的市場規模可達10億美元。此外,多接孔的USB-C充電器也會在產業中掀起風潮,滿足現在常見同時持有多個電子設備的消費者的充電需求。 2025年GaN市場上看七億 隨著三星、華為、小米等手機製造商規畫將GaN快充放入標配,Yole分析師觀察到GaN快充高度的市場潛力。GaN已經開始部署在超過45W的快充中,仰賴其小尺寸且高度整合的電源系統,形成高功率密度的應用。接下來三年內趨勢將指向系統單晶片及系統級封裝技術,驅動GaN在消費市場的進展,且GaN充電器的尺寸會持續縮小並伴隨成本下降。 整體而言,Yole分析師預測GaN市場在2025年會超過七億美元,2019~2025年的年均複合成長率(CAGR)則為76%,代表2025年在GaN的整體市場中,將有超過80%的占比來自消費市場(圖7)。林志彥進一步說明,GaN System在市場布局上關注的消費電子、儲能系統、資料中心、工業控制與電動車五大領域中,其中進展最快的即是消費電子市場,能在成本降低次激需求提升的前提下,快速達到量產。2021年下半年,各家廠商高階的手機/筆電型號,極有可能會將GaN充電器/變壓器納入標配規格。 圖7 功率GaN裝置市場規模分析(按應用區分)  資料來源:Yole 除了手機配件,GaN還有其他具有商機的應用場景。Yole分析師表示,GaN的性能表現與外型尺寸帶來優勢可應用在以下幾個領域: ‧ LED驅動器:GaN架構的成本才是受到採用的主因,其裝置GaN有機會用在大於50W的高階、高功率LED驅動器中。 ‧ D類音效功率放大器:國際廠商如EPC、英飛凌、GaN...
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創新功能搶商機 無線充電IC兵家必爭

無線充電IC市場需求持續上漲,預計市場競爭格局將從集中走向分化,創新應用是目前產業搶攻市場大餅的主要策略。根據市調機構MarketWatch的研究,在未來五年內,無線充電IC市場收入的年複合成長率將達到19.1%,到2024年全球市場規模將達到52億美元,而2019年將達到21億美元。 無線充電是指不需要電線或電纜就能從電源傳輸能量的技術。無線充電技術由兩個部分組成:發射器(即實際充電站本身)和接收器(位在進行充電的設備內)。而無線充電IC便是無線充電技術的核心部分。 目前無線充電IC市場的主要廠商包括IDT、德州儀器(TI)、恩智浦(NXP)/飛思卡爾(Freescale)、亞德諾半導體(ADI)、高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)、意法半導體(ST)、安森美半導體(On Semiconductor)、Semtech、羅姆(ROHM)、東芝(Toshiba)、Panasonic、美信(Maxim)、凌通科技(Generalplus)等等。無線充電IC產業預計將繼續以創新為主要發展方向,策略性收購和組成聯盟等也是廠商增強影響力的關鍵戰略。同時,還有優化產品組合,也能進一步提升附加價值,實現利潤最大化。 無線充電IC具有巨大的市場潛力,過去十年中有數家新廠商進入了全球無線充電IC市場。預計新廠商的進入將促使現有廠商進行反擊。這種現象可以引發更好和更具創新性的戰略,進而導入新產品線或擴大生態系範圍。雖然目前全球無線充電IC市場的競爭格局依然集中,但預計未來幾年將逐漸走向分化。 值得一提的是,亞太地區是全球無線充電IC市場的最大市場,在2017年占了市場總額超過70%。由於無線充電的方便特性,無線充電IC的使用持續成長,推動了亞太地區市場的發展。 看好無線充電市場 IDT推WattShare系列 無線充電IC市場發展正盛,近日IDT抓緊機會推出WattShare系列無線充電半導體,使智慧型手機不只本身能無線充電,還能夠為其他行動設備進行無線充電。IDT的新型無線充電IC結合了接收器和發射器功能,只須將智慧型手機、智慧型手表、無線耳機和其他行動設備放在採用了WattShare技術的智慧型手機上即可進行無線充電,IDT期望藉此加快無線充電應用步伐,同時提升消費者無線充電使用體驗。 IDT無線充電部門總經理Christopher Stephens表示,支援WattShare的智慧型手機可以隨時為智慧型手表、無線耳機、和其他行動設備充電,讓用戶免於攜帶累贅的充電器與行動電源,或是必須到處尋找可用的插座充電。WattShare技術有望讓智慧型手機成為無線充電生態系統的中心,使消費者能夠享受最輕鬆簡單的智慧型手機充電體驗。 目前常見的無線充電使用磁感應(Magnetic Induction)充電,將智慧型手機放置在Qi無線充電板上,便可以直接進行充電而毋須拔插電線。智慧型手機從充電板接收電源,通常約為5~10W。然而,採用WattShare技術的無線電源接收器IC可以改變功率流的方向,將智慧型手機從電源接收器轉換為電源發送器。在採用了WattShare技術的智慧型手機背面放置另一支智慧型手機或其他行動設備時,就可以直接開始無線充電。 對於那些致力於為消費者帶來更良好使用體驗的智慧型手機、智慧型手表、無線耳機等行動設備OEM而言,IDT的WattShare無線充電技術將是一個引人注目的解決方案。WattShare使智慧型手機在為其他行動設備充電時可以提供高達7W的功率,並可以接收15W甚至更高的功率。據悉,目前幾家知名的智慧型手機製造商已經採用了WattShare技術,並成功創建了一個無線充電生態系統,讓客戶能夠為行動配件設備或朋友的手機充電。 無線加上快充 方便更要省時 搶攻無線充電市場,高通(Qualcomm)在西班牙巴塞隆納世界行動通訊大會(MWC 2019)上,正式發表了支援無線快充的Qualcomm Quick Charge技術,並推出納入Qi相容性的測試認證計畫。Quick Charge的合規認證計畫由國際安全科學機構UL負責監管,此次加入了無線充電以及Qi標準測試。 UL副總裁暨電子科技產業亞太區總經理于秀坤表示,根據市場研究報告指出,2018~2025年之間,全球無線充電市場可望以60.22%的年複合成長率增加至2025年的1,453億美元。 高通此次將快充技術套用在無線充電板中,並提供向下的相容性和未來的發展性,讓使用這項新標準的無線充電板可以搭配過去的Qualcomm Quick Charge 2.0、3.0、4和4+充電器,落實無線快充的廣泛應用。 電池快充技術已成為各家手持裝置廠商的必爭之地,如何讓電池在穩定的狀況下完成快速充電,成為各大廠的棘手挑戰。 UL與高通的合作早從2014年的Quick Charge 2.0時期開始,並為其授權的測試認證實驗室。最新版的Quick Charge 4與4+技術,可讓終端裝置在短短15分鐘內就可從0%充到50%的電量,除了可延長電池使用的時間,更能加強安全性,並延伸支援無線快充。
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