南芯POWERQUARK?系列AC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案

日常生活中常見的電子設(shè)備（手機、電腦、游戲機等）均為直流電供電，然而電力供應(yīng)系統(tǒng)中的電能通常是以交流形式提供，例如，家庭電源插座就是交流電。因此，為了使交流電能夠滿足電子設(shè)備的直流供電需求，就需要進行AC/DC轉(zhuǎn)換。AC/DC轉(zhuǎn)換在各領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，從家庭電子設(shè)備、工業(yè)控制系統(tǒng)、醫(yī)療器械系統(tǒng)到汽車系統(tǒng)供電等，通過AC/DC轉(zhuǎn)換將交流電轉(zhuǎn)化為適合各種設(shè)備使用的直流電，以滿足不同設(shè)備對電源的要求。

AC/DC轉(zhuǎn)換是指將交流電（Alternating Current，AC）轉(zhuǎn)換為直流電（Direct Current，DC）的過程，這一轉(zhuǎn)換過程通常需要使用AC/DC轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)，也就是我們常說的充電器/充電頭。

然而，目前市場上大多數(shù)充電頭，其PCBA上往往共存著多種不同功能的芯片，用以實現(xiàn)AC/DC轉(zhuǎn)換并保證充電過程的安全與穩(wěn)定，這種情況隨之也會帶來一系列問題：芯片過多會導(dǎo)致PCBA電路板上的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對于設(shè)計、布局等工藝要求更高；多芯片設(shè)計也會導(dǎo)致難以將空間壓縮，致使充電器體積偏大，便攜性降低用戶體驗變差；產(chǎn)品故障時排查流程更加復(fù)雜；由于相互影響可能導(dǎo)致整體性能及效率不能發(fā)揮充分，帶來的成本問題也不容小覷。

南芯科技POWERQUARK系列的推出，能夠充分降低充電過程中多芯片組合存在的“隱患”，掀起新的快充技術(shù)變革，引領(lǐng)快充新世代。

AC-DC發(fā)展史概覽

AC/DC的發(fā)展可追溯到上世紀(jì)70年代初期，彼時開關(guān)電源開始進入大眾視野。隨著新技術(shù)不斷發(fā)展，AC/DC轉(zhuǎn)換器也不斷升級，主要可分為以下幾個發(fā)展節(jié)點：

?第一階段?

最初的AC/DC轉(zhuǎn)換器，主要是線性穩(wěn)壓器方案。

初代AC/DC轉(zhuǎn)換器功率較小，都是線性穩(wěn)壓器的直接降壓方式。線性穩(wěn)壓器通過消耗多余電壓來實現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓。當(dāng)輸入電壓高于所需輸出電壓時，線性穩(wěn)壓器會將多余電壓以熱能形式發(fā)散掉，因此也稱為“線性”穩(wěn)壓器。此過程使得輸出電壓幾乎不受輸入電壓變化的影響，從而提供了穩(wěn)定的電源。

這種方式方案功能簡單，但功率小、效率低、發(fā)熱大，無法滿足大功率小體積的需求。尤其在輸入電壓遠(yuǎn)高于輸出電壓的情況下效率會更低。這是由于線性穩(wěn)壓器必須消耗多余電壓來維持輸出電壓穩(wěn)定。因此，輸入電壓與輸出電壓之間的差異越大，線性穩(wěn)壓器的效率就越低。

但其有紋波小、性能好等特性，依然被用于一些特定高性能的場景。

目前市面上常見的線性穩(wěn)壓器可根據(jù)其工作原理和應(yīng)用領(lǐng)域分為幾種不同類型，有固定正/負(fù)向穩(wěn)壓器、可調(diào)正向穩(wěn)壓器、低壓差穩(wěn)壓器等。

代表產(chǎn)品有AMS 公司（Advanced Monolithic Systems）的 AMS1117 。除此之外，還有德州儀器TLV1117、安森美NCP1117、微盟電子ME1117、長晶科技CJT1117等Pin-to-Pin產(chǎn)品。

?第二階段?

上世紀(jì)90年代，開關(guān)電源基本完全取代線性穩(wěn)壓器。

開關(guān)電源是一種用于將電能從一個電源轉(zhuǎn)換成另一種電壓或電流的電源供應(yīng)方式。其工作原理是通過高頻開關(guān)器件（通常是晶體管或功率MOSFET）來周期性地切換輸入電源電壓，然后通過電感、電容等元件來穩(wěn)壓、濾波和調(diào)整輸出電壓。

開關(guān)電源通常比線性穩(wěn)壓器更加高效，其能夠在輸入和輸出之間快速切換，減少能量損失，并且，由于高頻開關(guān)和數(shù)字控制，開關(guān)電源通常比線性穩(wěn)壓器更加輕便、小巧。

伴隨著模擬IC技術(shù)的發(fā)展，采用Bipolar工藝的PWM控制器問世，最典型產(chǎn)品為Unitrode公司推出的電流模PWM控制器UC3842：采用PWM IC配合高壓平面MOSFET的Flyback，電源性能、可靠性更優(yōu)，逐漸替代傳統(tǒng)方案。中大功率方案仍以硬開關(guān)的正激、半橋、全橋等電路為主流方案，在一些對可靠性要求高的工業(yè)類、航空類產(chǎn)品中，方案至今仍被采用。

?第三階段?

2000年后，QR準(zhǔn)諧振反激技術(shù)成熟，超節(jié)高壓MOS替代傳統(tǒng)高壓MOS。

QR準(zhǔn)諧振反激技術(shù)是一種在電源電路中廣泛應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可用于實現(xiàn)高效率的電能轉(zhuǎn)換。該技術(shù)基于準(zhǔn)諧振操作，意味著開關(guān)管（通常是MOSFET）在開啟時，開關(guān)管會在諧振谷底開通從而達到近似零電壓開通，大大減小了開關(guān)管的開啟損耗，從而提高了電源的效率。同時電源的頻率可以根據(jù)負(fù)載需求進行調(diào)整，以提高輕載效率。

由于諧振操作和較低的能量損耗，QR技術(shù)通常比傳統(tǒng)開關(guān)電源更高效。這意味著更少的電能轉(zhuǎn)化為熱量，因此電源更為節(jié)能。同時QR技術(shù)在開啟時電壓變化相對平滑，減少了電源產(chǎn)生的高頻噪聲，降低了電磁干擾，有助于滿足電磁兼容性要求。

降低開關(guān)損耗，提高效率，逐漸成為小功率AC-DC的主流控制方案；在中大功率市場， 80PLUS認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)下的白牌、銅牌、銀牌、金牌、鉑金、鈦金對效率、待機功耗的要求逐步提高，具有軟開關(guān)特性的變換器開始流行，如諧振變換器、移相全橋等。在該階段，AC-DC IC產(chǎn)品主要以歐美和臺系模擬IC企業(yè)為主。

?第四階段?

2010年以來，隨著手機快充市場的快速發(fā)展，AC-DC電源效率、功率密度均有大幅提升。

市場需求的變化催化AC-DC IC產(chǎn)品技術(shù)加速迭代，性能與集成度越來越高，充電功率從最早的5W提升至200W，待機功耗從最初的0.3W提升到現(xiàn)在的75mW，功率密度從0.2W/cc提高到2W/cc。

功率密度的大幅提升離不開第三代半導(dǎo)體的助力，氮化鎵是第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，它可在更高的頻率下運行，且具有更快的開關(guān)速度和更低的功耗。2018年前后，隨著氮化鎵器件成本的下降和可靠性的提高，氮化鎵器件具有的高頻開關(guān)性能和低導(dǎo)通阻抗成為下一代電源適配器的關(guān)鍵技術(shù)。但氮化鎵器件同時也具有低寄生電容的特點，在高頻開關(guān)的應(yīng)用場景中，驅(qū)動電路環(huán)路中的寄生電感會形成高頻振鈴從而降低了器件的可靠性，同時加劇系統(tǒng)的電磁干擾問題。

南芯科技作為氮化鎵快充控制器國產(chǎn)化先驅(qū)，專門針對氮化鎵器件所優(yōu)化的獨有差分驅(qū)動技術(shù)，通過適配驅(qū)動電壓可對氮化鎵器件直接進行驅(qū)動，并且將氮化鎵功率器件、驅(qū)動和控制器高度集成與整合，利用合封將電路板上的連接導(dǎo)線，整合到封裝內(nèi)部，降低寄生參數(shù)對開關(guān)的影響。這項技術(shù)即精簡了外圍驅(qū)動電路設(shè)計，同時也提升了產(chǎn)品的可靠性并節(jié)約成本，能最大程度發(fā)揮出氮化鎵器件的優(yōu)勢。同時在中大功率市場，能耗需求也進一步提升，不同廠家推出多種基于第三代半導(dǎo)體氮化鎵和碳化硅的新型半橋軟開關(guān)拓?fù)洌瑧?yīng)對大功率應(yīng)用。

根據(jù)阿譜爾(APO)統(tǒng)計及預(yù)測，全球AC-DC芯片市場在2022年達到311.84億美元，預(yù)計到2029年將達到637.49億美元，在2023-2029年的預(yù)測期內(nèi)，年復(fù)合增長率為8.94%。在全球強調(diào)能源效率和減少碳排放的大環(huán)境下，AC-DC芯片在節(jié)能電源中至關(guān)重要。提高效率，減少轉(zhuǎn)換過程中的功率損失成為轉(zhuǎn)換器市場的首要追求。

南芯AC-DC方案介紹

AC-DC系列旨在為快充、適配器和無線充電解決方案提供高性能的整套解決方案。

（南芯科技核心產(chǎn)品布局）

南芯科技產(chǎn)品線涵蓋：高集成度PFC控制器、多模態(tài)Flyback控制器、GaN直驅(qū)高頻QR系列、支持多種工作模式的同步整流控制器協(xié)議IC以及鋰電保護芯片等，產(chǎn)品覆蓋10W、18W、33W-55W、66W、120W等多個功率等級。此外，還支持多種保護機制，如過充保護、過放保護、短路保護等，確保鋰電池快速充電的安全可靠。

（南芯科技AC-DC產(chǎn)品矩陣）

南芯AC-DC系列推出多款不同系列芯片以應(yīng)對不同的應(yīng)用場景與使用需求，并隨著市場變化不斷的快速迭代升級，目前其產(chǎn)品線已有PFC控制器、SSR系列、SR系列、PD協(xié)議IC等，可為用戶提供完善的、高效的整套解決方案。

值得一提的是：

2021年，南芯科技作為國內(nèi)首家推出GaN直驅(qū)IC方案的公司，重磅推出GaN直驅(qū)方案SC302x系列并成功量產(chǎn)。

2022年，南芯首次推出All GaN解決方案，成為國內(nèi)首家量產(chǎn)GaN Combo的公司，推出高度集成SC305x系列方案。

2023年，南芯再次突破，推出國內(nèi)首家原副邊全集成方案POWERQUARK系列，整合5大技術(shù)，實現(xiàn)5種功能，超越95%轉(zhuǎn)換效率，給設(shè)計者和用戶帶來前所未有的極致體驗，再次奠定南芯在AC-DC市場的龍頭地位。

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南芯科技的AC-DC產(chǎn)品具有以下特點：

集成度高，適用于各種應(yīng)用場景；

支持多種輸入輸出電壓范圍；

具有較高的效率和較大的輸出電流；

支持多種充電協(xié)議，如PD3.0等；

提供多端口管理功能，方便用戶使用；

具有多重保護機制，確保充電安全可靠。

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南芯POWERQUARK系列介紹

南芯科技2023年重磅推出國內(nèi)首家原副邊全集成方案POWERQUARK系列，并在充電頭網(wǎng)舉辦的2023（秋季）亞洲充電展上展示了該系列控制器及相關(guān)數(shù)據(jù)。

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南芯POWERQUARK系列芯片是基于次級控制的軟開關(guān)技術(shù)解決方案，該系列整合南芯自研全集成封裝技術(shù)、次級控制軟開關(guān)技術(shù)、次級控制主動主動式同步整流技術(shù)、高速隔離數(shù)字通訊技術(shù)及多標(biāo)準(zhǔn)快充協(xié)議兼容技術(shù)五大技術(shù)于一體，并成功將原邊控制器+ 高壓GaN + 隔離通訊 + 次級SR 控制器 + 協(xié)議等五種功能集于一身，在大大減少體積的同時帶來超越95%的轉(zhuǎn)換效率和更高的可靠性。

南芯POWERQUARK系列全集成芯片采用南芯自研SSOP38增強散熱全集成封裝，內(nèi)置高速隔離數(shù)字通訊技術(shù)，集成次級控制軟開關(guān)技術(shù)和次級控制主動式同步整流技術(shù)，效率可超越95%，并兼容多標(biāo)準(zhǔn)快充協(xié)議。一顆芯片即可實現(xiàn)傳統(tǒng)充電器中原邊控制器+GaN器件+隔離光耦+同步整流控制器和協(xié)議芯片五種獨立功能。

POWERQUARK系列在兼顧安全性與性價比的前提下具備更低的系統(tǒng)成本與可以實現(xiàn)更加極致的功率密度，并且整體的性能更加的優(yōu)秀。整體的電路結(jié)構(gòu)非常的精簡，通過一顆芯片與一個同步整流開關(guān)管就可以解決所有的問題。

南芯為簡化用戶設(shè)計，推出了一款標(biāo)準(zhǔn)化的65W參考設(shè)計：其功率密度達到了2.23W/cm3/PCBA，最高可達65W的充電功率，并支持市面主流快充協(xié)議，在EMI合規(guī)的前提下，230V下20V輸出時實現(xiàn)了95.1%的效率，而在264V下仍然保持了94.99%的效率

南芯POWERQUARK 系列在轉(zhuǎn)換效率，待機功耗和兼容性等方面都有很不錯的表現(xiàn)；在集成度，可靠性，協(xié)議支持等多個方面均優(yōu)勢明顯，遙遙領(lǐng)先于同類產(chǎn)品。這一系列芯片的推出將不僅減少廠商的成本，也提高了消費者的使用體驗，卓越的性能和可靠的解決方案也將為快充領(lǐng)域帶來了全新的進步。

編輯：黃飛