纵观AC-DC发展史，南芯POWERQUARK®系列掀起快充技术变革

作者：爱集微 2023-11-14

来源：南芯科技 #南芯科技#

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日常生活中常见的电子设备（手机、电脑、游戏机等）均为直流电供电，然而电力供应系统中的电能通常是以交流形式提供，例如，家庭电源插座就是交流电。因此，为了使交流电能够满足电子设备的直流供电需求，就需要进行AC/DC转换。AC/DC转换在各领域均有广泛应用，从家庭电子设备、工业控制系统、医疗器械系统到汽车系统供电等，通过AC/DC转换将交流电转化为适合各种设备使用的直流电，以满足不同设备对电源的要求。

AC/DC转换是指将交流电（Alternating Current，AC）转换为直流电（Direct Current，DC）的过程，这一转换过程通常需要使用AC/DC转换器来实现，也就是我们常说的充电器/充电头。

然而，目前市场上大多数充电头，其PCBA上往往共存着多种不同功能的芯片，用以实现AC/DC转换并保证充电过程的安全与稳定，这种情况随之也会带来一系列问题：芯片过多会导致PCBA电路板上的结构复杂，对于设计、布局等工艺要求更高；多芯片设计也会导致难以将空间压缩，致使充电器体积偏大，便携性降低用户体验变差；产品故障时排查流程更加复杂；由于相互影响可能导致整体性能及效率不能发挥充分，带来的成本问题也不容小觑。

南芯科技POWERQUARK®系列的推出，能够充分降低充电过程中多芯片组合存在的“隐患”，掀起快充技术变革，引领快充新世代。

AC-DC 发展史概览

AC/DC的发展可追溯到上世纪70年代初期，彼时开关电源开始进入大众视野。随着新技术不断发展，AC/DC转换器也不断升级，主要可分为以下几个发展节点：

第一阶段——初代AC/DC转换器，主要是线性稳压器方案。

初代AC/DC转换器功率较小，都是线性稳压器的直接降压方式。线性稳压器通过消耗多余电压来实现稳定输出电压。当输入电压高于所需输出电压时，线性稳压器会将多余电压以热能形式发散掉，因此也称为“线性”稳压器。此过程使得输出电压几乎不受输入电压变化的影响，从而提供了稳定的电源。这种方式方案功能简单，但功率小、效率低、发热大，无法满足大功率小体积的需求。尤其在输入电压远高于输出电压的情况下效率会更低。这是由于线性稳压器必须消耗多余电压来维持输出电压稳定。因此，输入电压与输出电压之间的差异越大，线性稳压器的效率就越低。

但其有纹波小、性能好等特性，依然被用于一些特定高性能的场景。

目前市面上常见的线性稳压器可根据其工作原理和应用领域分为几种不同类型，有固定正/负向稳压器、可调正向稳压器、低压差稳压器等。

代表产品有AMS 公司（Advanced Monolithic Systems）的 AMS1117 。除此之外，还有德州仪器TLV1117、安森美NCP1117、微盟电子ME1117、长晶科技CJT1117等Pin-to-Pin产品。

第二阶段——上世纪90年代，开关电源基本完全取代线性稳压器。

开关电源是一种用于将电能从一个电源转换成另一种电压或电流的电源供应方式。其工作原理是通过高频开关器件（通常是晶体管或功率MOSFET）来周期性地切换输入电源电压，然后通过电感、电容等元件来稳压、滤波和调整输出电压。

开关电源通常比线性稳压器更加高效，其能够在输入和输出之间快速切换，减少能量损失，并且，由于高频开关和数字控制，开关电源通常比线性稳压器更加轻便、小巧。

伴随着模拟IC技术的发展，采用Bipolar工艺的PWM控制器问世，最典型产品为Unitrode公司推出的电流模PWM控制器UC3842：采用PWM IC配合高压平面MOSFET的Flyback，电源性能、可靠性更优，逐渐替代传统方案。中大功率方案仍以硬开关的正激、半桥、全桥等电路为主流方案，在一些对可靠性要求高的工业类、航空类产品中，方案至今仍被采用。

第三阶段——2000年后，QR准谐振反激技术成熟，超节高压MOS替代传统高压MOS。

QR准谐振反激技术是一种在电源电路中广泛应用的拓扑结构，可用于实现高效率的电能转换。该技术基于准谐振操作，意味着开关管（通常是MOSFET）在开启时，开关管会在谐振谷底开通从而达到近似零电压开通，大大减小了开关管的开启损耗，从而提高了电源的效率。同时电源的频率可以根据负载需求进行调整，以提高轻载效率。

由于谐振操作和较低的能量损耗，QR技术通常比传统开关电源更高效。这意味着更少的电能转化为热量，因此电源更为节能。同时QR技术在开启时电压变化相对平滑，减少了电源产生的高频噪声，降低了电磁干扰，有助于满足电磁兼容性要求。

降低开关损耗，提高效率，逐渐成为小功率AC-DC的主流控制方案；在中大功率市场， 80PLUS认证标准下的白牌、铜牌、银牌、金牌、铂金、钛金对效率、待机功耗的要求逐步提高，具有软开关特性的变换器开始流行，如谐振变换器、移相全桥等。在该阶段，AC-DC IC产品主要以欧美和台系模拟IC企业为主。

第四阶段——2010年以来，随着手机快充市场的快速发展，AC-DC电源效率、功率密度均有大幅提升。

市场需求的变化催化AC-DC IC产品技术加速迭代，性能与集成度越来越高，充电功率从最早的5W提升至200W，待机功耗从最初的0.3W提升到现在的75mW，功率密度从0.2W/cc提高到2W/cc。

功率密度的大幅提升离不开第三代半导体的助力，氮化镓是第三代半导体材料的典型代表，它可在更高的频率下运行，且具有更快的开关速度和更低的功耗。2018年前后，随着氮化镓器件成本的下降和可靠性的提高，氮化镓器件具有的高频开关性能和低导通阻抗成为下一代电源适配器的关键技术。但氮化镓器件同时也具有低寄生电容的特点，在高频开关的应用场景中，驱动电路环路中的寄生电感会形成高频振铃从而降低了器件的可靠性，同时加剧系统的电磁干扰问题。

南芯科技作为氮化镓快充控制器国产化先驱，专门针对氮化镓器件所优化的独有差分驱动技术，通过适配驱动电压可对氮化镓器件直接进行驱动，并且将氮化镓功率器件、驱动和控制器高度集成与整合，利用合封将电路板上的连接导线，整合到封装内部，降低寄生参数对开关的影响。这项技术即精简了外围驱动电路设计，同时也提升了产品的可靠性并节约成本，能最大程度发挥出氮化镓器件的优势。同时在中大功率市场，能耗需求也进一步提升，不同厂家推出多种基于第三代半导体氮化镓和碳化硅的新型半桥软开关拓扑，应对大功率应用。

根据阿谱尔(APO)统计及预测，全球AC-DC芯片市场在2022年达到311.84亿美元，预计到2029年将达到637.49亿美元，在2023-2029年的预测期内，年复合增长率为8.94%。在全球强调能源效率和减少碳排放的大环境下，AC-DC芯片在节能电源中至关重要。提高效率，减少转换过程中的功率损失成为转换器市场的首要追求。（数据来自：阿谱尔(APO)）

南芯AC-DC方案介绍

南芯科技AC-DC系列能够为快充、适配器和无线充电解决方案提供高性能的整套解决方案。产品线涵盖：高集成度PFC控制器、多模态Flyback控制器、GaN直驱高频QR系列、支持多种工作模式的同步整流控制器协议IC以及锂电保护芯片等，产品覆盖10W、18W、33W-55W、66W、120W等多个功率等级。此外，还支持多种保护机制：过充保护、过放保护、短路保护等，确保锂电池快速充电的安全可靠。

（南芯科技核心产品布局）

（南芯科技AC-DC产品矩阵）

南芯AC-DC系列推出多款不同系列芯片以应对不同的应用场景与使用需求，并随着市场变化不断的快速迭代升级，目前其产品线已有PFC控制器、SSR系列、SR系列、PD协议IC等，可为用户提供完善的、高效的整套解决方案。

值得一提的是：

2021年，南芯科技作为国内首家推出GaN直驱IC方案的公司，重磅推出GaN直驱方案SC302x系列并成功量产。

2022年，南芯首次推出All GaN解决方案，成为国内首家量产GaN Combo的公司，推出高度集成SC305x系列方案。

2023年，南芯再次突破，推出国内首家原副边全集成方案POWERQUARK®系列，整合5大技术，实现5种功能，超越95%转换效率，给设计者和用户带来前所未有的极致体验，再次奠定南芯在AC-DC市场的龙头地位。

南芯科技的AC-DC产品具有以下特点：

集成度高，适用于各种应用场景；

支持多种输入输出电压范围；

具有较高的效率和较大的输出电流；

支持多种充电协议，如PD3.0等；

提供多端口管理功能，方便用户使用；

具有多重保护机制，确保充电安全可靠。

南芯POWERQUARK®系列简介

南芯科技2023年重磅推出国内首家原副边全集成方案POWERQUARK®系列，并在充电头网举办的2023（秋季）亚洲充电展上展示了该系列控制器及相关数据。

南芯POWERQUARK®系列芯片是基于次级控制的软开关技术解决方案，该系列整合南芯自研全集成封装技术、次级控制软开关技术、次级控制主动主动式同步整流技术、高速隔离数字通讯技术及多标准快充协议兼容技术五大技术于一体，并成功将原边控制器+ 高压GaN + 隔离通讯 + 次级SR 控制器 + 协议等五种功能集于一身，在大大减少体积的同时带来超越95%的转换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增强散热全集成封装，内置高速隔离数字通讯技术，集成次级控制软开关技术和次级控制主动式同步整流技术，效率可超越95%，并兼容多标准快充协议。一颗芯片即可实现传统充电器中原边控制器+GaN器件+隔离光耦+同步整流控制器和协议芯片五种独立功能。