南芯POWERQUARK?系列AC/DC轉換器解決方案

日常生活中常見的電子設備（手機、電腦、游戲機等）均為直流電供電，然而電力供應系統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備的直流供電需求，就需要進行AC/DC轉換。AC/DC轉換在各領域均有廣泛應用，從家庭電子設備、工業控制系統、醫療器械系統到汽車系統供電等，通過AC/DC轉換將交流電轉化為適合各種設備使用的直流電，以滿足不同設備對電源的要求。

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

然而，目前市場上大多數充電頭，其PCBA上往往共存著多種不同功能的芯片，用以實現AC/DC轉換并保證充電過程的安全與穩定，這種情況隨之也會帶來一系列問題：芯片過多會導致PCBA電路板上的結構復雜，對于設計、布局等工藝要求更高；多芯片設計也會導致難以將空間壓縮，致使充電器體積偏大，便攜性降低用戶體驗變差；產品故障時排查流程更加復雜；由于相互影響可能導致整體性能及效率不能發揮充分，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”，掀起新的快充技術變革，引領快充新世代。

AC-DC發展史概覽

AC/DC的發展可追溯到上世紀70年代初期，彼時開關電源開始進入大眾視野。隨著新技術不斷發展，AC/DC轉換器也不斷升級，主要可分為以下幾個發展節點：

?第一階段?

最初的AC/DC轉換器，主要是線性穩壓器方案。

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

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

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壓器可根據其工作原理和應用領域分為幾種不同類型，有固定正/負向穩壓器、可調正向穩壓器、低壓差穩壓器等。

代表產品有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產品。

?第二階段?

上世紀90年代，開關電源基本完全取代線性穩壓器。

開關電源是一種用于將電能從一個電源轉換成另一種電壓或電流的電源供應方式。其工作原理是通過高頻開關器件（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、電容等元件來穩壓、濾波和調整輸出電壓。

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

伴隨著模擬IC技術的發展，采用Bipolar工藝的PWM控制器問世，最典型產品為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，逐漸替代傳統方案。中大功率方案仍以硬開關的正激、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類、航空類產品中，方案至今仍被采用。

?第三階段?

2000年后，QR準諧振反激技術成熟，超節高壓MOS替代傳統高壓MOS。

QR準諧振反激技術是一種在電源電路中廣泛應用的拓撲結構，可用于實現高效率的電能轉換。該技術基于準諧振操作，意味著開關管（通常是MOSFET）在開啟時，開關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負載需求進行調整，以提高輕載效率。

由于諧振操作和較低的能量損耗，QR技術通常比傳統開關電源更高效。這意味著更少的電能轉化為熱量，因此電源更為節能。同時QR技術在開啟時電壓變化相對平滑，減少了電源產生的高頻噪聲，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認證標準下的白牌、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產品主要以歐美和臺系模擬IC企業為主。

?第四階段?

2010年以來，隨著手機快充市場的快速發展，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產品技術加速迭代，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體的助力，氮化鎵是第三代半導體材料的典型代表，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性能和低導通阻抗成為下一代電源適配器的關鍵技術。但氮化鎵器件同時也具有低寄生電容的特點，在高頻開關的應用場景中，驅動電路環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，同時加劇系統的電磁干擾問題。

南芯科技作為氮化鎵快充控制器國產化先驅，專門針對氮化鎵器件所優化的獨有差分驅動技術，通過適配驅動電壓可對氮化鎵器件直接進行驅動，并且將氮化鎵功率器件、驅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線，整合到封裝內部，降低寄生參數對開關的影響。這項技術即精簡了外圍驅動電路設計，同時也提升了產品的可靠性并節約成本，能最大程度發揮出氮化鎵器件的優勢。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體氮化鎵和碳化硅的新型半橋軟開關拓撲，應對大功率應用。

根據阿譜爾(APO)統計及預測，全球AC-DC芯片市場在2022年達到311.84億美元，預計到2029年將達到637.49億美元，在2023-2029年的預測期內，年復合增長率為8.94%。在全球強調能源效率和減少碳排放的大環境下，AC-DC芯片在節能電源中至關重要。提高效率，減少轉換過程中的功率損失成為轉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。

（南芯科技核心產品布局）

南芯科技產品線涵蓋：高集成度PFC控制器、多模態Flyback控制器、GaN直驅高頻QR系列、支持多種工作模式的同步整流控制器協議IC以及鋰電保護芯片等，產品覆蓋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產品矩陣）

南芯AC-DC系列推出多款不同系列芯片以應對不同的應用場景與使用需求，并隨著市場變化不斷的快速迭代升級，目前其產品線已有PFC控制器、SSR系列、SR系列、PD協議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，南芯科技作為國內首家推出GaN直驅IC方案的公司，重磅推出GaN直驅方案SC302x系列并成功量產。

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

2023年，南芯再次突破，推出國內首家原副邊全集成方案POWERQUARK系列，整合5大技術，實現5種功能，超越95%轉換效率，給設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產品具有以下特點：

集成度高，適用于各種應用場景；

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年重磅推出國內首家原副邊全集成方案POWERQUARK系列，并在充電頭網舉辦的2023（秋季）亞洲充電展上展示了該系列控制器及相關數據。

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南芯POWERQUARK系列芯片是基于次級控制的軟開關技術解決方案，該系列整合南芯自研全集成封裝技術、次級控制軟開關技術、次級控制主動主動式同步整流技術、高速隔離數字通訊技術及多標準快充協議兼容技術五大技術于一體，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，內置高速隔離數字通訊技術，集成次級控制軟開關技術和次級控制主動式同步整流技術，效率可超越95%，并兼容多標準快充協議。一顆芯片即可實現傳統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成本與可以實現更加極致的功率密度，并且整體的性能更加的優秀。整體的電路結構非常的精簡，通過一顆芯片與一個同步整流開關管就可以解決所有的問題。

南芯為簡化用戶設計，推出了一款標準化的65W參考設計：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議，在EMI合規的前提下，230V下20V輸出時實現了95.1%的效率，而在264V下仍然保持了94.99%的效率

南芯POWERQUARK 系列在轉換效率，待機功耗和兼容性等方面都有很不錯的表現；在集成度，可靠性，協議支持等多個方面均優勢明顯，遙遙領先于同類產品。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域帶來了全新的進步。

編輯：黃飛