前言
减小充电器体积、提高功率密度始终是快充行业追求的方向。传统的多芯片设计整体走线冗长复杂，难以实现整机体积的极致压缩。因此，从最初的分立式控制到氮化镓合封，工程师们不断探索集成度更高的解决方案，更大限度发挥氮化镓器件的性能优势。南芯科技也同心共进，从 SC302x 到 SC305x，再到去年发布的国内首个全集成反激方案 POWERQUARK®，助力客户将更高集成度的快充产品快速推向市场。 南芯POWERQUARK®系列全集成芯片将器件极致集成，减少充电器外围元件数量，具备开发周期短，产品性价比高的优势。次级软开关技术降低了开关损耗，提高了转换效率，搭配同步整流，提升整体效率，降低散热要求。并且内置高速数字隔离通信，无需光耦，可靠性更高。 分立式控制：冗余的外围电路
2019年前后，氮化镓材料凭借更加优异的性能，快速渗透消费类快充市场，实现了广泛应用。当时的技术尚不成熟，为了应对种种“水土不服”，最传统的思路便是添加外围电路。 快充应用和氮化镓功率器件的特性提升了外围电路的复杂度。针对供电电路，快充应用的输出电压范围较宽，传统使用双绕组供电或线性稳压的方法外围器件数量多，线路复杂，BOM 成本高。针对驱动电路，在氮化镓用于 PD 快充之前，反激控制器以驱动 MOS 为主，驱动钳位电压一般为11V左右，而E-mode氮化镓需要更低且稳定的驱动电压才能可靠运行，因此需要增加驱动钳位电路以兼容氮化镓驱动。 光是解决供电问题和驱动问题，所需的外围器件就多达16颗，冗余的器件让工程师很难实现极致体积及性价比产品设计。 SC302x：核心专利减少外围器件
面对客户遇到的氮化镓快充外围电路复杂的痛点，南芯科技于2020年迅速量产了SC302x系列芯片，同比当时的传统方案可减少10颗左右的外围器件。 ![]()
图1：SC302x 减少氮化镓快充外围电路的器件数量
(a) 传统供电电路；(b) 使用 SC302x 的供电电路；(c) 传统驱动电路；(d) 使用 SC302x 的驱动电路 SC302x针对氮化镓的供电电路和驱动电路拥有两项核心专利技术，将过往的应用难点逐一击破。其中，SC3023x专有的GaN直驱设计，可以省去外置驱动器或分立驱动器件；集成分段式供电模式和单绕组供电无需复杂的供电电路。此外，这颗芯片还内置了高压启动及交流输入Brown In/Out功能，集成了X-cap放电功能，能满足各类快充应用的需求。 SC305x：初级氮化镓合封
尽管SC302x有效降低了外围器件的数量，但还不是一个高度集成方案。为了进一步提升系统集成度，南芯科技推出了进化版的SC305x系列芯片，将高性能多模式反激控制器、氮化镓驱动、氮化镓开关管、供电和保护等初级侧电路集成在一颗散热增强的芯片内部。通过合封来简化外部元件数量，并消除传统驱动走线寄生参数对高频开关的影响。 此外，SC305x系列芯片采用了功率走线和控制走线分开的设计，降低高频开关对控制回路的影响，并通过优化的焊盘设计，优化充电器走线设计和电气性能，简化设计开发，助力实现小体积高效率的氮化镓快充设计。 ![]()
图2：南芯科技 SC3057 氮化镓合封芯片 POWERQUARK：快充设计的终极集成方案
既然能够把初级侧的电路进行合封，是否可以把次级侧的芯片功能也集成到一起，实现功率更高的方案呢？南芯科技去年推出的POWERQUARK系列产品便实现了这一想法。 基于南芯自研的全集成封装技术，POWERQUARK具有业界领先的高集成度，成功将原边控制器、高压GaN、隔离通讯、次级SR控制器和协议这五种独立功能集成到同一颗芯片，大大简化了电路结构。此外，POWERQUARK还使用了高速、高可靠性的隔离数字通讯替代了传统的隔离光耦，大幅减少外围元器件数量，仅用一颗芯片和一个同步整流开关管即可实现电路功能，充电器体积相比上一代方案最多可减少30%。 高集成度也带来了更高的效率。南芯科技推出了一款标准化的65W参考设计，功率密度高达2.23W/cm³。如下图所示，高压满载时，POWERQUARK的转换效率可达到95%。该参考设计还支持PD2.0/PD3.0、FC2.0/FC3.0、FCP、SCP、UFCS等多种快充协议，大大简化用户开发成本。 ![]()
图3：POWERQUARK 参考设计在不同输入电压和负载情况下的效率 充电头网总结
氮化镓技术在消费类电源产品中大规模商用，使得充电器的效率得到优化，体积大幅降低，便携性更好，因而深受消费者青睐。目前各大手机、笔电品牌均已经入局了氮化镓快充市场，加上国家十四五计划对第三代半导体技术的扶持，氮化镓快充市场前景十分可观。 南芯科技以提高集成度为主线，针对氮化镓不断推出高集成方案，通过SC302x系列减少外围器件的数量，SC305x系列进一步提升系统集成度，最后POWERQUARK系列实现终极集成，将次级侧的芯片功能也全部集成到一起，助力客户快速开发出体积更小、性能更强的快充产品。 快充行业的故事在近几年迎来了高速发展的篇章。南芯科技始终与客户同频，共同书写技术发展的未来。POWERQUARK 以卓越的集成度开启了快充的新世代，将简化客户的开发周期和难度，共同提升消费者的使用体验。 相关阅读：
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分立式控制：冗余的外围电路
SC302x：核心专利减少外围器件
图1：SC302x 减少氮化镓快充外围电路的器件数量
SC305x：初级氮化镓合封
POWERQUARK：快充设计的终极集成方案
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