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”,。小米并沒有說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。

那就讓我們來看看這GaNSense為什么如此神通廣大吧,！

GaN公司一路走來

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)營總監(jiān)李銘釗介紹說，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30,，他們把以往的工作經(jīng)驗(yàn)帶到納微?，F(xiàn)在納微已經(jīng)獲批專利超過200多件，還有100多件在準(zhǔn)備申請中,。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,，納微中國團(tuán)隊(duì)成立3年多，為公司貢獻(xiàn)了7成營收,。其中國團(tuán)隊(duì)有60多人,，占納微全球人員超過40％。未來,，納微中國將加快對客戶設(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)體高級應(yīng)用總監(jiān)黃秀成補(bǔ)充說,，在GaN上做芯片確實(shí)是納微的原創(chuàng)，2000年初就開始研究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)走過了很多艱辛的路,，通過不停的探索,，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)開發(fā),、生產(chǎn)周期越來越短。

時(shí)至今日,，全球超過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)電池越來越大,，從以前的2000mA時(shí)到現(xiàn)在的5000mA時(shí)。GaN的優(yōu)勢是提升充電器功率,，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)備越來越多,，多頭充電器市場非常大，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越高,，出現(xiàn)了更多應(yīng)用場景,，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級別,。

關(guān)于開關(guān)頻率和EMI的問題,，黃秀成表示，EMI并不會(huì)成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的問題,。只要設(shè)計(jì)合理,，對傳輸途徑和阻礙EMC解決方案有很清晰的了解，就會(huì)發(fā)現(xiàn)高頻化后EMC解決方案反而更簡單,。開關(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,，開關(guān)速率,、頻率都受到極大的限制。因?yàn)殚_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)出相對比較高的功率密度,，但是也沒有遠(yuǎn)沒有達(dá)到1W／cc的數(shù)字。

GaN功率芯片集成后能帶來什么好處呢,？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),，可以充分釋放開關(guān)頻率,，電源適配器的主流開關(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)過集成的方案設(shè)計(jì)出來的功率密度比傳統(tǒng)硅或分立式GaN高了很多，目前好多案例遠(yuǎn)大于1W／cc,。

以上說的是此前的GaN功率芯片,，那么現(xiàn)在呢？

GaNSense集成帶來四大提升

GaNSense技術(shù)通過進(jìn)一步集成在GaNFast基礎(chǔ)上做了幾大性能提升,，包括無損采樣,、過流保護(hù)、過溫保護(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)。

無損可編程電流采樣

原來系統(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,。用無損采樣代替原來的采樣電阻，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,、簡單,。在熱耦合方面，系統(tǒng)中原來有兩個(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200ns可以避免系統(tǒng)因短路,、過功率等造成變壓器電流急劇上升的情況。

過溫保護(hù)

目前的保護(hù)機(jī)理也是設(shè)置一個(gè)區(qū)間，當(dāng)GaN片芯溫度超過設(shè)定閾值（通常160℃）,，不管有沒有外部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)相對復(fù)雜。GaNSense技術(shù)更加完善,，可以智能檢測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,，通過檢測讓芯片進(jìn)入待機(jī)模式，待機(jī)電流從原來的接近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)體高級研發(fā)總監(jiān)徐迎春介紹說,，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，還對整個(gè)產(chǎn)品的長期可靠性至關(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),。其背后有從美國回來的黃秀成博士帶領(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),，開展各種高頻,、高密度電源的研究。在中國跟浙大,、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,、電壓等級和可靠性方面有更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。納微半導(dǎo)體對芯片設(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,，GaN在汽車市場的增長潛力比較看好，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)楣柙谑袌鲋谐^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)體跟國外的汽車零件生產(chǎn)公司已經(jīng)開始合作，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)類開始鋪墊,，占領(lǐng)巨大市場后再拓展到其他產(chǎn)業(yè)鏈,，正是納微半導(dǎo)體未來GaN市場布局的戰(zhàn)略規(guī)劃。而在納微未來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,。