前言

減小充電器體積、提高功率密度始終是快充行業追求的方向。傳統的多芯片設計整體走線冗長復雜，難以實現整機體積的極致壓縮。因此，從最初的分立式控制到氮化鎵合封，工程師們不斷探索集成度更高的解決方案，更大限度發揮氮化鎵器件的性能優勢。南芯科技也同心共進，從 SC302x 到 SC305x，再到去年發布的國內首個全集成反激方案 POWERQUARK?，助力客戶將更高集成度的快充產品快速推向市場。

南芯POWERQUARK?系列全集成芯片將器件極致集成，減少充電器外圍元件數量，具備開發周期短，產品性價比高的優勢。次級軟開關技術降低了開關損耗，提高了轉換效率，搭配同步整流，提升整體效率，降低散熱要求。并且內置高速數字隔離通信，無需光耦，可靠性更高。

分立式控制：冗余的外圍電路

2019年前后，氮化鎵材料憑借更加優異的性能，快速滲透消費類快充市場，實現了廣泛應用。當時的技術尚不成熟，為了應對種種“水土不服”，最傳統的思路便是添加外圍電路。

快充應用和氮化鎵功率器件的特性提升了外圍電路的復雜度。針對供電電路，快充應用的輸出電壓范圍較寬，傳統使用雙繞組供電或線性穩壓的方法外圍器件數量多，線路復雜，BOM 成本高。針對驅動電路，在氮化鎵用于 PD 快充之前，反激控制器以驅動 MOS 為主，驅動鉗位電壓一般為11V左右，而E-mode氮化鎵需要更低且穩定的驅動電壓才能可靠運行，因此需要增加驅動鉗位電路以兼容氮化鎵驅動。

光是解決供電問題和驅動問題，所需的外圍器件就多達16顆，冗余的器件讓工程師很難實現極致體積及性價比產品設計。

SC302x：核心專利減少外圍器件

面對客戶遇到的氮化鎵快充外圍電路復雜的痛點，南芯科技于2020年迅速量產了SC302x系列芯片，同比當時的傳統方案可減少10顆左右的外圍器件。

圖1：SC302x 減少氮化鎵快充外圍電路的器件數量

(a) 傳統供電電路；(b) 使用 SC302x 的供電電路；(c) 傳統驅動電路；(d) 使用 SC302x 的驅動電路

SC302x針對氮化鎵的供電電路和驅動電路擁有兩項核心專利技術，將過往的應用難點逐一擊破。其中，SC3023x專有的GaN直驅設計，可以省去外置驅動器或分立驅動器件；集成分段式供電模式和單繞組供電無需復雜的供電電路。此外，這顆芯片還內置了高壓啟動及交流輸入Brown In/Out功能，集成了X-cap放電功能，能滿足各類快充應用的需求。

SC305x：初級氮化鎵合封

盡管SC302x有效降低了外圍器件的數量，但還不是一個高度集成方案。為了進一步提升系統集成度，南芯科技推出了進化版的SC305x系列芯片，將高性能多模式反激控制器、氮化鎵驅動、氮化鎵開關管、供電和保護等初級側電路集成在一顆散熱增強的芯片內部。通過合封來簡化外部元件數量，并消除傳統驅動走線寄生參數對高頻開關的影響。

此外，SC305x系列芯片采用了功率走線和控制走線分開的設計，降低高頻開關對控制回路的影響，并通過優化的焊盤設計，優化充電器走線設計和電氣性能，簡化設計開發，助力實現小體積高效率的氮化鎵快充設計。

圖2：南芯科技 SC3057 氮化鎵合封芯片

POWERQUARK：快充設計的終極集成方案

既然能夠把初級側的電路進行合封，是否可以把次級側的芯片功能也集成到一起，實現功率更高的方案呢？南芯科技去年推出的POWERQUARK系列產品便實現了這一想法。

基于南芯自研的全集成封裝技術，POWERQUARK具有業界領先的高集成度，成功將原邊控制器、高壓GaN、隔離通訊、次級SR控制器和協議這五種獨立功能集成到同一顆芯片，大大簡化了電路結構。此外，POWERQUARK還使用了高速、高可靠性的隔離數字通訊替代了傳統的隔離光耦，大幅減少外圍元器件數量，僅用一顆芯片和一個同步整流開關管即可實現電路功能，充電器體積相比上一代方案最多可減少30%。

高集成度也帶來了更高的效率。南芯科技推出了一款標準化的65W參考設計，功率密度高達2.23W/cm3。如下圖所示，高壓滿載時，POWERQUARK的轉換效率可達到95%。該參考設計還支持PD2.0/PD3.0、FC2.0/FC3.0、FCP、SCP、UFCS等多種快充協議，大大簡化用戶開發成本。