文档介绍：半导体和整流器助力电池快充
目前智能手机的发展趋势,系以更大的屏幕尺寸、更高的屏幕分辨率以及更快的处理器为主,但不断提高的硬件规格,使其耗电量也越来越可观,以2K屏幕来说,耗电量为1,,势必会增加锂电池的能量密度及提高充电速度,来延长手机使用的续航力。
所以,手机厂商为了兼顾手机轻薄外观的市场需求,电池容量设计以3,000 ~4,000mAh为主流,也因此缩短充电时间的快充技术应运而生。目前市场上主要的快充方案有高通(m)的Quick Charge、联发科技(MediaTek)的Pump Express以及OPPO VOOC等。
市场主要的快充方案
高通以提高充电电压来缩短充电时间,从最早的QC 5V/2A (最大功率10W)充电规格以及QC (最大功率18W ),到QC ~20V的工作电压动态调节(最大功率22W),比传统5V/1A充电技术快4倍。
联发科与高通的Quick Charge相似,以恒定电流及提高充电电压至5~20V来实现更大的充电功率,最新的Pump Express ,500mAh的电池从0%充到70% ,比传统5V/1A充电技术快5倍。而OPPO则保持5V充电电压,提高充电电流至最高5A的方式来实现快速充电,宣称只需5分钟就可将容量3,000mAh的电池充入48%的电量。
为了缩短手机或是笔记型电脑等3C产品的充电时间,无论是提高充电电压,或是充电电流,各家快充技术的本质都在于提高充电器的功率,由早期5W提高至22W,甚至未来USB Power Delivery充电协议,功率最高可达100W (20V/5A),大幅缩短充电时间,也因此大功率充电器需求量增加在未来是可预期的。随着电源功率的提高,电池势必变得体积更大、重量更重,因此业界持续投入许多心力于半导体构造及封装的研究与改良。
氮化镓半导体
近年来,金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)已经成为切换电源的主要功率元件,从场效应晶体管(FET)、双极性结式晶体管(BJT)、MOSFET、到绝缘闸极双极晶体管(IGBT),现在出现了氮化镓(GaN),可让切换电源的体积大幅缩小。
例如,纳微半导体(Navitas)推出尺寸最小的65W USB-PD (Type-C)电源转换器参考设计NVE028A,正是使用了GaN电晶体,相较于市面上现有基于硅(Si)功率元件的配接器尺寸[约98- (6-7in3),重量约300g], ( in3),重量约60g,相当轻薄迷你。
就目前硅功率元件的切换电源来看,提高脉冲宽度调变(PWM)切换频率虽可缩小电源体积,但伴随着损耗提高而降低其转换效率,及电磁干扰(EMI)的增加,需投入更多的EMI解决对策,因此业界以65kHz为一折衷的选择。
虽然GaN具有切换速度快、导通损耗低、功率密度高等特性上的优势,但使用者直接将电路中的MOSFET换成GaN FET,其成效往往不符合预期,原因在于须以GaN为设计中心,选择电路线路架构及控制方法,才能将GaN的优势充份发挥。Navitas AllGaN功率IC,将GaN FET、IC与驱动电路及逻辑电路做了高密度的整合