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氮化鎵神助攻設(shè)計出大功率+小身材的充電器

454398 ? 來源:cfan ? 作者:cfan ? 2020-09-02 10:17 ? 次閱讀
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在PC電源和充電器市場,從去年開始便流行起一個名為“GaN”(氮化鎵)的概念,并因這項技術(shù)的加盟獲得了更為出色的電氣性能。那么,GaN到底是一種怎樣的技術(shù),它能對我們未來的生活產(chǎn)生哪些影響呢?

功率體積鬧矛盾

無論是筆記本還是智能手機(jī),專門給適配器/充電器“減肥”是一件非常費(fèi)力不討好的事情,畢竟對絕大多數(shù)普通消費(fèi)者而言,有著免費(fèi)(隨機(jī)附贈)的不用,為了小一圈的充電器花錢很不經(jīng)濟(jì)。

然而,隨著USB Type-C接口和USB PD快充成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之后,新款手機(jī)、筆記本(主要是中高端輕薄本)和Switch游戲掌機(jī)等數(shù)碼設(shè)備居然用上了同一套充電協(xié)議,這意味著研發(fā)一款USB PD充電器將擁有無數(shù)的“潛在客戶”,只要產(chǎn)品夠好絕對不愁賣!

于是,小小的充電器也開始了跨界之旅——筆記本適配器號稱兼容手機(jī),而手機(jī)的充電器則主打能為筆記本供電,出差時一個(PD充電器)在手,全家(隨身攜帶的所有數(shù)碼設(shè)備)不愁。

問題來了,什么樣的充電器才夠好呢?沒錯,就是大功率+小身材,也就是當(dāng)充電器解決矛盾之后的樣子。

瘦身的“拖油瓶”

充電器雖然不大,但它內(nèi)部卻集成了包括初級開關(guān)管、次級同步整流管、PWM控制器、同步整流控制器、變壓器、電解電容、整流橋、共模電感、慢熔保險絲、快充協(xié)議控制芯片和各種MOSFET在內(nèi)的數(shù)十種零部件。

學(xué)過初中物理的同學(xué)應(yīng)該都知道,在充電功率相同時,充電器的體積越大散熱效果必然越好。如果盲目地在縮小充電器體積的同時提高功率,發(fā)熱量將難以控制,極端情況下甚至?xí)鸹馂?zāi)等隱患。

在充電器的內(nèi)部構(gòu)成中,MOSFET(金氧半場效晶體管,簡稱MOS或功率器件)至關(guān)重要,它影響著該產(chǎn)品所支持的最大輸入/輸出功率和功率轉(zhuǎn)換耗損率,也是高負(fù)載運(yùn)行時發(fā)熱量最大的零部件之一。

一款充電器能否在支持更高功率的同時加以瘦身,最有效的解決方案就是提升MOSFET的性能并降低它的發(fā)熱量。

可惜,當(dāng)前用于生產(chǎn)MOSFET的第一代(Ge、Si)和第二代半導(dǎo)體材料(GaAs、InP)在單位體積的功率轉(zhuǎn)換上都遇到了天花板,想進(jìn)一步提升功率就必須留出足夠的散熱空間,也就是犧牲體積。

為此,英飛凌曾推出過“Cool MOSFET”(Coolmos),這是一種改進(jìn)型結(jié)構(gòu)的MOSFET,具有更低的導(dǎo)通電阻、更快的開關(guān)速度,可以實現(xiàn)更高的功率轉(zhuǎn)換效率。還記得聯(lián)想在2018年推出的ThinkPlus口紅電源嗎?這款超迷你的65W充電器只有成年人的兩根手指大小,重量不足120g,堪稱充電器領(lǐng)域的“小網(wǎng)紅”。

而它能之所以能實現(xiàn)如此迷你身材,就是內(nèi)置了型號為IPL60R365P7的英飛凌Cool MOSFET芯片。

可惜,哪怕是Cool MOSFET也依舊存在天花板,在65W功率下ThinkPlus的體型就算是極限了。還好,市面上隨后出現(xiàn)了一類主打GaN(氮化鎵)的迷你充電器,同樣是65W的充電功率,體型卻比ThinkPlus小了一大圈,幾乎和傳統(tǒng)手機(jī)用的18W快充充電器大小差不多。

那么,這種超迷你的大功率充電器又是怎樣煉成的呢?

氮化鎵的神助攻

目前主流的MOSFET都是基于Si硅制造的,既然這種半導(dǎo)體材料在高功率下已經(jīng)不堪重負(fù),那更換另外一種半導(dǎo)體材料不就結(jié)了?

于是,一種名為“GaN”(氮化鎵)的元素出現(xiàn)了,它是由氮和鎵組成的一種人造化合物,與碳化硅(SiC)并稱為第三代半導(dǎo)體材料的雙雄。

GaN氮化鎵材料穩(wěn)定又堅硬,它的熔點(diǎn)約為1700℃,做成GaN功率器件(GaNFET)后可以在200℃以上的高溫下工作。氮化鎵比硅材料的禁帶寬度大3倍、擊穿場強(qiáng)高10倍、飽和電子遷移速度快3倍、熱導(dǎo)率高2倍,這些性能提升帶來的優(yōu)勢就是它比硅更適合做大功率高頻的功率器件。

假如電源插孔內(nèi)的交流電是一望無際的湖水,充電器內(nèi)的功率器件就像勺子,需要不斷將插孔內(nèi)的湖水撈出,轉(zhuǎn)化為直流電后再傳輸給數(shù)碼設(shè)備供電。此時,用MOSFET做的勺子每秒鐘只能勺10下,再快就有燒毀罷工的風(fēng)險。而GaNFET做的勺子每秒則可以勺至少30下,效率高還不怕累。

在這種低損耗和高開關(guān)頻率特性的幫助下,GaN氮化鎵能以更低的發(fā)熱量去承受更大的功率。因此,功率相同的充電器,采用GaNFET功率器件的產(chǎn)品往往可以做的更輕巧迷你。

需要注意的是,GaN充電器并不是什么新鮮事物,早在2018年底,ANKER就在美國紐約發(fā)布了型號為“PowerPort Atom PD 1”的GaN充電器,在年初CES2020大展上亮相的GaN充電器數(shù)量更是接近70款,覆蓋18W~100W等多個充電功率檔位。

還記得2019年10月上市的OPPO Reno Ace嗎?這款手機(jī)支持高達(dá)65W的SuperVOOC 2.0閃充,其標(biāo)配的充電器就使用了氮化鎵,OPPO也因此成為了全球首家在充電器中導(dǎo)入GaNFET的手機(jī)廠商。

可惜,OPPO Reno Ace的GaN充電器并不支持PD協(xié)議,只有搭配支持自家SuperVOOC 2.0技術(shù)的手機(jī)才能輸出65W,較窄的適用范圍注定它很難被大眾所熟知。此外。Reno Ace標(biāo)配的65W充電器體型較大,并沒有體現(xiàn)出氮化鎵可以幫助充電器瘦身的特性。

今年OPPO還高調(diào)發(fā)布了125W閃充充電器、110W 超閃mini充電器、65W AirVOOC無線充電器和50W超閃餅干充電器,它們的共性就是身材性感,而且兼容SuperVOOC、VOOC和PD等快充協(xié)議,兼容性更好。

而這些新一代閃充充電器可以瘦身的秘訣,依舊是內(nèi)部加入了氮化鎵高頻開關(guān)。以50W超閃餅干充電器為例,它的厚度僅10.5mm,配合折疊插腳設(shè)計,輕松適應(yīng)日常收納攜帶,可輕松放置于襯衫、牛仔褲口袋,超小無負(fù)擔(dān)。

時至今日,引入氮化鎵的充電器已經(jīng)成為高端手機(jī)的標(biāo)配,在第三方PD充電器市場也呈現(xiàn)出了燎原之勢,甚至已經(jīng)出現(xiàn)了支持90W~120W的氮化鎵充電器,可以同時為輕薄本和手機(jī)滿血充電。

小結(jié)

拋開GaN氮化鎵在其他領(lǐng)域的貢獻(xiàn)不談,單憑它對充電器功率提高和體型縮小的改進(jìn)來看,就是一項非常值得期待和普及的技術(shù)。未來,一個只有1/4煙盒大小的充電器就能具備超過100W的輸出功率,兼容所有的數(shù)碼設(shè)備,想想都美妙。同時,我們也希望氮化鎵能早日用于游戲本的電源適配器,幫助150W起步的“磚頭”瘦身,終結(jié)游戲本越來越輕薄而適配器卻依舊呆板笨重的歷史。

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