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：“小巧一點，強大很多”。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、工業(yè)應(yīng)用中落地。

納微半導(dǎo)體銷售運營總監(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年才做出第一個可以量產(chǎn)的產(chǎn)品。

今年10月，納微半導(dǎo)體在納斯達克成功上市，上市當天的估值10億美元。值得一提的是，納微中國團隊成立3年多，為公司貢獻了7成營收。其中國團隊有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)計的支持，進一步增加銷售、研發(fā)團隊覆蓋全球市場的能力，同時擴張芯片設(shè)計團隊。

在芯片制造方面，納微現(xiàn)在主要在臺積電2號工廠生產(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)交付時間為12周左右。

納微半導(dǎo)體高級應(yīng)用總監(jiān)黃秀成補充說，在GaN上做芯片確實是納微的原創(chuàng)，2000年初就開始研究GaN，在這方面積攢了非常多的經(jīng)驗。作為第一個吃螃蟹的人，納微確實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)計開發(fā)、生產(chǎn)周期越來越短。

時至今日，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個月將會看到這些新產(chǎn)品陸續(xù)上市。

為什么從手機充電起步？

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)用場景主要是手機充電器，為什么充電器中普及很快呢？主要有兩個原因，第一，手機電池越來越大，從以前的2000mA時到現(xiàn)在的5000mA時。GaN的優(yōu)勢是提升充電器功率，可以縮短充電時間，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、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)進步。從納微GaN功率芯片的進步可以看出，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)動和基本保護功能，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并不會成為系統(tǒng)設(shè)計的問題。只要設(shè)計合理，對傳輸途徑和阻礙EMC解決方案有很清晰的了解，就會發(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很高；采用高頻后，如果很好地處理傳輸途徑，合理設(shè)計，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)展主要有兩個流派：一個是eMode常開型，另一個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，納微進一步做了集成，包括驅(qū)動、保護和控制。

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。因為開關(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因為受限于驅(qū)動電路復(fù)雜性，如果不把驅(qū)動集成到功率器件中，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)計出相對比較高的功率密度，但是也沒有遠沒有達到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)動和保護，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、過溫保護和智能待機。

黃秀成介紹坦承，目前納微GaN器件的主流系列是GaNFast，其驅(qū)動控制和保護在功率器件上面，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個控制驅(qū)動。作為功率芯片，其外部有一個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)計存在一些難點，處理基準電壓比較難，所以器件外部用一個穩(wěn)壓管來產(chǎn)生內(nèi)部基準電壓，把寬范圍Vcc調(diào)整成內(nèi)部真正需要驅(qū)動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、UVLO的Vcc未達到某一定值之前，整個芯片處于鎖定狀態(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，實現(xiàn)了基本保護功能。而GaNSense技術(shù)又進一步，實現(xiàn)了幾個突出的性能優(yōu)點。

無損可編程電流采樣

原來系統(tǒng)中有一個采樣電阻，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)中原來有兩個發(fā)熱元件，現(xiàn)在去掉了一個，熱系數(shù)更好，器件工作溫度更低，效率也會更高。

過流保護

傳統(tǒng)上，GaNFast系列外部需要一個采樣電阻，其信號送給控制器判斷是否發(fā)生過流。為了避免噪聲，控制器有一個延遲，通常反應(yīng)時間在300ns左右。在GaNSense技術(shù)中，基于采樣信號內(nèi)部設(shè)定一個過流閾值，在內(nèi)部做信號處理，觸及這個閾值時反應(yīng)時間小于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

目前的保護機理也是設(shè)置一個區(qū)間，當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，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，有信號則繼續(xù)工作，如果異常沒有解除，溫度還在上升，則保持關(guān)斷，以實現(xiàn)精準控制結(jié)溫。

智能待機

現(xiàn)在，比較寬松的范圍是75mW，但是很多OEM、ODM都會要求待機做到30mW。所以，早期的GaNFast其他性能都非常好，但因為考慮待機問題，通常外邊會做個電路，切斷待機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，當PWM信號工作正常時，智能待機不動作；當系統(tǒng)進入跳周期模式，通過檢測讓芯片進入待機模式，待機電流從原來的接近1mA降到接近100μA，待機功耗可以下降很多。另外，進入待機后，第一次出現(xiàn)脈沖30ns就可以馬上進入正常工作模式。

量產(chǎn)、支持、合作同步推進

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)動一個關(guān)鍵技術(shù)，集成驅(qū)動除了提高量產(chǎn)可靠性，還對整個產(chǎn)品的長期可靠性至關(guān)重要。因為GaN是一個新的器件，需要采用全新的設(shè)計，所以，納微在中國成立了非常強大的AE團隊，以支持2021年2022年即將量產(chǎn)的160個產(chǎn)品。

深圳、杭州和上海的AE團隊將從客戶需求定制、原理圖繪制，到整個布版設(shè)計、結(jié)構(gòu)裝配、樣機測試、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)的博士團隊、很多10到20年工作經(jīng)驗的工程師的支持，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)客戶需求實現(xiàn)聯(lián)合設(shè)計開發(fā)。

納微還與全球很多學(xué)術(shù)機構(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。

跳出手機充電圈

手機充電器領(lǐng)秀群倫，卻在“吃著碗里看著鍋里”，從消費類快充，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)用還是在消費類電源，但是公司藍圖一定是往數(shù)據(jù)中心、汽車方向拓展。設(shè)計難點肯定會有，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峻的挑戰(zhàn)。納微半導(dǎo)體對芯片設(shè)計、可靠性驗證內(nèi)部規(guī)范也會更加的嚴苛。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、電動汽車要求更大功率的器件，納微一定會下更多工夫克服技術(shù)難點，實現(xiàn)更高的可靠性和良率。

李銘釗補充說，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應(yīng)用，一個是OBC，一個DC－DC。因為硅在市場中超過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，所以還是需要時間把這個材料和產(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)商啟動一個大型項目。

從消費類開始鋪墊，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。