目前智能手機(jī)的發(fā)展趨勢，系以更大的屏幕尺寸、更高的屏幕分辨率以及更快的處理器為主，但不斷提高的硬件規(guī)格，使其耗電量也越來越可觀，以2K屏幕來說，耗電量為1,080P屏幕的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(jī)使用的續(xù)航力。

所以，手機(jī)廠商為了兼顧手機(jī)輕薄外觀的市場需求，電池容量設(shè)計(jì)以3,000 ~4,000mAh為主流，也因此縮短充電時間的快充技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前市場上主要的快充方案有高通(Qualcomm)的Quick Charge、聯(lián)發(fā)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(guī)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(tài)調(diào)節(jié)(最大功率22W)，比傳統(tǒng)5V/1A充電技術(shù)快4倍。

聯(lián)發(fā)科與高通的Quick Charge相似，以恒定電流及提高充電電壓至5~20V來實(shí)現(xiàn)更大的充電功率，最新的Pump Express 3.0宣稱能在20分鐘內(nèi)將2,500mAh的電池從0%充到70% ，比傳統(tǒng)5V/1A充電技術(shù)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(shí)現(xiàn)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(jī)或是筆記型電腦等3C產(chǎn)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(shù)的本質(zhì)都在于提高充電器的功率，由早期5W提高至22W，甚至未來USB Power Delivery充電協(xié)議，功率最高可達(dá)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(yù)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(yè)界持續(xù)投入許多心力于半導(dǎo)體構(gòu)造及封裝的研究與改良。

氮化鎵半導(dǎo)體

近年來，金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體(MOSFET)已經(jīng)成為切換電源的主要功率元件，從場效應(yīng)晶體管 (FET)、雙極性結(jié)式晶體管(BJT)、MOSFET、到絕緣閘極雙極晶體管(IGBT)，現(xiàn)在出現(xiàn)了氮化鎵(GaN)，可讓切換電源的體積大幅縮小。

例如，納微半導(dǎo)體(Navitas)推出尺寸最小的65W USB-PD (Type-C)電源轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)NVE028A，正是使用了GaN電晶體，相較于市面上現(xiàn)有基于硅(Si)功率元件的配接器尺寸[約98-115cc (6-7in3)，重量約300g]，Navitas基于AllGaN功率IC的65W配接器體積僅45cc (2.7 in3)，重量約60g，相當(dāng)輕薄迷你。

就目前硅功率元件的切換電源來看，提高脈沖寬度調(diào)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(zhuǎn)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(yè)界以65kHz為一折衷的選擇。

雖然GaN具有切換速度快、導(dǎo)通損耗低、功率密度高等特性上的優(yōu)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(yù)期，原因在于須以GaN為設(shè)計(jì)中心，選擇電路線路架構(gòu)及控制方法，才能將GaN的優(yōu)勢充份發(fā)揮。Navitas AllGaN功率IC，將GaN FET、IC與驅(qū)動電路及邏輯電路做了高密度的整合，簡化復(fù)雜的線路設(shè)計(jì)，讓設(shè)計(jì)者可以很容易的應(yīng)用并發(fā)揮其特性。

碳化硅半導(dǎo)體

除了GaN，碳化硅(SiC)是目前發(fā)展較成熟的寬能隙(WBG)半導(dǎo)體材料，在新一代電源中扮演了重要的角色，與傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體相比，可應(yīng)用在較高頻率、電壓與溫度的嚴(yán)苛環(huán)境下，還可達(dá)到低耗損高效率的特性。隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)的重視，電子產(chǎn)品效率要求的提高，讓GaN與SiC成為世界各國半導(dǎo)體業(yè)研究的重點(diǎn)。

硅基IGBT一般工作于20kHz以下的頻率，受到材料特性的限制，高壓高頻的硅功率元件難以被實(shí)現(xiàn)，而碳化硅MOSFET不僅適合600~10kV的工作電壓范圍，同時具備優(yōu)異的開關(guān)特性，能達(dá)到更低的開關(guān)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(guī)格Si MOSFET的5%，顯示碳化硅有傳統(tǒng)硅無可相比的優(yōu)異特性。

另外，在碳化硅蕭特基二極管(SiC SBD)方面，它具有理想的反向恢復(fù)特性，當(dāng)二極管由順偏導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)槟嫫P(guān)閉時，SiC SBD極小的反向恢復(fù)電流可工作于更高的頻率，在相同頻率下也能有更高的效率。且SiC SBD具有正溫度系數(shù)的特性，當(dāng)元件溫度上升時，順向電壓VF也隨之變大，此特性若于并聯(lián)使用時，可避免元件發(fā)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(yīng)用于開關(guān)電源中功率因素校正(PFC)電路上，PFC電路工作于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(fā)展相對成熟的情況下，GaN與SiC功率元件雖具有特性上的優(yōu)勢，但在制程上，其開發(fā)成本的花費(fèi)要求仍較高，也因此GaN與SiC功率元件的應(yīng)用至今仍未真正的普及。

貼片型橋式整流器的優(yōu)勢

因應(yīng)未來小尺寸、大功率配接器及快速充電器領(lǐng)域的開發(fā)，除了仰賴前述氮化鎵和碳化硅半導(dǎo)體的持續(xù)發(fā)展，就目前的硅功率元件來說，在電源輸入端的橋式整流器，用于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(fā)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片型二極管封裝技術(shù)，將元件厚度由傳統(tǒng)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(jié)省空間，也符合高度有限制的特殊應(yīng)用需求。

從以下安森美半導(dǎo)體(ON Semiconductor)的42W設(shè)計(jì)、德州儀器(TI)的45W與Navitas 65W設(shè)計(jì)的范例照片，就可看出電源配接器體積持續(xù)縮小的趨勢，而且都使用了貼片型橋式整流器(藍(lán)框標(biāo)示處)。

圖1：安森美半導(dǎo)體的42W、TI 45W與Navitas 65W充電器設(shè)計(jì)(由左而右)

貼片型橋式整流器采用SuperChip片型二極管封裝技術(shù)，除了將二極管貼片型化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)有別于業(yè)界的打線接合(Wire Bonding)制程，使用的是焊接(Solder Bonding)制程，如圖2的結(jié)構(gòu)示意圖，二極管晶粒焊接于上下兩銅布線，銅布線連接到元件正負(fù)兩端子，二極管晶粒產(chǎn)生的熱，可由銅布線導(dǎo)到端子，其散熱能力較打線結(jié)構(gòu)更佳，降低應(yīng)用時的元件溫度。

圖2：采用焊接制程的SuperChip結(jié)構(gòu)示意圖

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

圖3：GPRC與業(yè)界GPP晶粒示意圖

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

圖4：GPRC晶片的VR-IR曲線

結(jié)語

在智能手機(jī)及筆記型電腦追求輕薄美觀的同時，還必須兼顧其電池續(xù)航能力，在電池技術(shù)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(lǐng)域開發(fā)，持續(xù)縮短充電時間以符合消費(fèi)者的使用習(xí)慣。

在快速充電方面，各手機(jī)廠商與其合作的快充陣營不斷開發(fā)出一代又一代更快速的充電協(xié)議及硬件技術(shù)，新款手機(jī)皆已搭配原廠快充配件，大幅提高了快充普及率，預(yù)期未來在USB Power Delivery充電協(xié)議規(guī)格統(tǒng)一，再加上如氮化鎵及碳化硅等特性優(yōu)異的功率元件出現(xiàn)，以及小尺寸貼片型橋式整流器持續(xù)發(fā)展，可望使電源配接器及快充技術(shù)更進(jìn)一步往更大功率、更快速充電、更小體積與更低的成本邁進(jìn)。