目前智慧型手機的發展趨勢,係以更大的螢幕尺寸、更高的螢幕解析度以及更快的處理器為主,但不斷提高的硬體規格,使其耗電量也越來越可觀,以2K螢幕來說,耗電量為1,080P螢幕的1.5倍以上,勢必會增加鋰電池的能量密度及提高充電速度,來延長手機使用的續航力。

所以,手機廠商為了兼顧手機輕薄外觀的市場需求,電池容量設計以3,000 ~4,000mAh為主流,也因此縮短充電時間的快充技術應運而生。目前市場上主要的快充方案有高通(Qualcomm)的Quick Charge、聯發科技(MediaTek)的Pump Express以及OPPO VOOC等。

市場主要的快充方案

高通以提高充電電壓來縮短充電時間,從最早的QC 1.0 5V/2A (最大功率10W)充電規格以及QC 2.0兼容5V/9V/12V/20V四種充電電壓及最大3A的充電電流(最大功率18W),到QC 3.0支援3.6V~20V的工作電壓動態調節(最大功率22W),比傳統5V/1A充電技術快4倍。

聯發科與高通的Quick Charge相似,以恆定電流及提高充電電壓至5~20V來實現更大的充電功率,最新的Pump Express 3.0宣稱能在20分鐘內將2,500mAh的電池從0%充到70%,比傳統5V/1A充電技術快5倍。而OPPO則保持5V充電電壓,提高充電電流至最高5A的方式來實現快速充電,宣稱只需5分鐘就可將容量3,000mAh的電池充入48%的電量。

為了縮短手機或是筆記型電腦等3C產品的充電時間,無論是提高充電電壓,或是充電電流,各家快充技術的本質都在於提高充電器的功率,由早期5W提高至22W,甚至未來USB Power Delivery充電協議,功率最高可達100W (20V/5A),大幅縮短充電時間,也因此大功率充電器需求量增加在未來是可預期的。隨著電源功率的提高,電池勢必變得體積更大、重量更重,因此業界持續投入許多心力於半導體構造及封裝的研究與改良。

氮化鎵半導體

近年來,金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)已經成為切換電源的主要功率元件,從場效電晶體(FET)、雙極性接面電晶體(BJT)、MOSFET、到絕緣閘極雙極電晶體(IGBT),現在出現了氮化鎵(GaN)電晶體,可讓切換電源的體積大幅縮小。

例如,納微半導體(Navitas)推出尺寸最小的65W USB-PD (Type-C)電源轉換器參考設計NVE028A,正是使用了GaN電晶體,相較於市面上現有基於矽(Si)功率元件的配接器尺寸[約98-115cc (6-7in3),重量約300g],Navitas基於AllGaN功率IC的65W配接器體積僅45cc (2.7 in3),重量約60g,相當輕薄迷你。

就目前矽功率元件的切換電源來看,提高脈衝寬度調變(PWM)切換頻率雖可縮小電源體積,但伴隨著損耗提高而降低其轉換效率,及電磁干擾(EMI)的增加,需投入更多的EMI解決對策,因此業界以65kHz為一折衷的選擇。

雖然GaN電晶體具有切換速度快、導通損耗低、功率密度高等特性上的優勢,但使用者直接將電路中的MOSFET換成GaN FET,其成效往往不符合預期,原因在於須以GaN電晶體為設計中心,選擇電路線路架構及控制方法,才能將GaN電晶體的優勢充份發揮。Navitas AllGaN功率IC,將GaN FET、IC與驅動電路及邏輯電路做了高密度的整合,簡化複雜的線路設計,讓設計者可以很容易的應用並發揮其特性。

碳化矽半導體

除了GaN,碳化矽(SiC)是目前發展較成熟的寬能隙(WBG)半導體材料,在新一代電源中扮演了重要的角色,與傳統矽半導體相比,可應用在較高頻率、電壓與溫度的嚴苛環境下,還可達到低耗損高效率的特性。隨著全球對環境保護的重視,電子產品效率要求的提高,讓GaN與SiC成為世界各國半導體業研究的重點。

矽基IGBT一般工作於20kHz以下的頻率,受到材料特性的限制,高壓高頻的矽功率元件難以被實現,而碳化矽MOSFET不僅適合600~10kV的工作電壓範圍,同時具備優異的開關特性,能達到更低的開關損耗及更高的工作頻率,如20kHz的SiC MOSFET損耗可以比3kHz的Si IGBT低一半,50A的SiC就可以代替150A的Si IGBT,SiC MOSFET的反向電荷Qrr也只有同規格Si MOSFET的5%,顯示碳化矽有傳統矽無可相比的優異特性。

另外,在碳化矽蕭特基二極體(SiC SBD)方面,它具有理想的反向恢復特性,當二極體由順偏導通轉變為逆偏關閉時,SiC SBD極小的反向恢復電流可工作於更高的頻率,在相同頻率下也能有更高的效率。且SiC SBD具有正溫度係數的特性,當元件溫度上升時,順向電壓VF也隨之變大,此特性若於並聯使用時,可避免元件發生熱失控(thermal runaway)的狀況,也因此擁有更高的工作溫度,以及元件高溫可靠度,因此廣泛應用於開關電源中功率因素校正(PFC)電路上,PFC電路工作於300kHz以上,可縮小電感元件尺寸,使用SiC SBD可維持相同的工作效率。

在Si功率元件發展相對成熟的情況下,GaN與SiC功率元件雖具有特性上的優勢,但在製程上,其開發成本的花費要求仍較高,也因此GaN與SiC功率元件的應用至今仍未真正的普及。

貼片型橋式整流器的優勢

因應未來小尺寸、大功率配接器及快速充電器領域的開發,除了仰賴前述氮化鎵和碳化矽半導體的持續發展,就目前的矽功率元件來說,在電源輸入端的橋式整流器,用於充電器及電源配接器之交流(AC)輸入端作全波整流功能,其封裝形式也逐漸由體積較大的插件式,發展為輕薄短小的貼片型小尺寸封裝。

例如智威科技(Zowie)的4A橋式整流器Z4GP40MH,正是使用了SuperChip片型二極體封裝技術,將元件厚度由傳統KBP插件式封裝的3.5mm降低至1.3mm,元件尺寸也縮小至8.1 x 10.5mm,體積僅KBP插件式封裝的17.5%,不僅可縮小元件尺寸節省空間,也符合高度有限制的特殊應用需求。

從以下安森美半導體(ON Semiconductor)的42W設計、德州儀器(TI)的45W與Navitas 65W設計的範例照片,就可看出電源配接器體積持續縮小的趨勢,而且都使用了貼片型橋式整流器(藍框標示處)。

20180621_Zowie_TA31P1 圖1:安森美半導體的42W、TI 45W與Navitas 65W充電器設計(由左而右)

貼片型橋式整流器採用SuperChip片型二極體封裝技術,除了將二極體貼片型化,內部結構有別於業界的打線接合(Wire Bonding)製程,使用的是焊接(Solder Bonding)製程,如圖2的結構示意圖,二極體晶粒焊接於上下兩銅佈線,銅佈線連接到元件正負兩端子,二極體晶粒產生的熱,可由銅佈線導到端子,其散熱能力較打線結構更佳,降低應用時的元件溫度。

20180621_Zowie_TA31P2 圖2:採用焊接製程的SuperChip結構示意圖

貼片型橋式整流器採用的晶片也具備關鍵性,二極體PN接面以玻璃護封來降低逆向漏電流,全切面玻璃護封(GPRC)技術將整流二極體PN接面完整護封,具有高溫漏電流較低的特性。

20180621_Zowie_TA31P3 圖3:GPRC與業界GPP晶粒示意圖

如圖4高溫逆向漏電流特性曲線所示,GPRC晶片於150℃環溫測得高溫漏電流約50uA,較GPP於125℃時的高溫漏電流約100uA低,產品具有更高的晶片操作溫度Tj (Tj=175℃ max.),以及更好的產品可靠度。

20180621_Zowie_TA31P4 圖4:GPRC晶片的VR-IR曲線

結語

在智慧型手機及筆記型電腦追求輕薄美觀的同時,還必須兼顧其電池續航能力,在電池技術有新一代重大突破前,市場的趨勢目前已朝小尺寸大功率配接器及快速充電器領域開發,持續縮短充電時間以符合消費者的使用習慣。

在快速充電方面,各手機廠商與其合作的快充陣營不斷開發出一代又一代更快速的充電協議及硬體技術,新款手機皆已搭配原廠快充配件,大幅提高了快充普及率,預期未來在USB Power Delivery充電協議規格統一,再加上如氮化鎵及碳化矽等特性優異的功率元件出現,以及小尺寸貼片型橋式整流器持續發展,可望使電源配接器及快充技術更進一步往更大功率、更快速充電、更小體積與更低的成本邁進。