Navitas 的下一代氮化鎵 (GaN) 電源 IC 可將充電速度提高 3 倍，并在移動(dòng)快速充電器中實(shí)現(xiàn)主流采用，滿足 1B 美元以上的市場(chǎng)需求。

Navitas 的 GaNFast 集成氮化鎵 (GaN) 解決方案通過提供 5 倍的功率，使充電系統(tǒng)（例如那些允許您為智能手機(jī)充電的系統(tǒng)）的運(yùn)行速度比使用傳統(tǒng)硅 (Si) 組件的充電系統(tǒng)快 100 倍密度，節(jié)能 40%，生產(chǎn)成本降低 20%。

功率 GaN 最初于 2018 年中后期通過 Anker、Aukey 和 RAVpower 的 24-W 至 65-W 充電器進(jìn)入售后市場(chǎng)。2019 年，我們看到三星、Verizon、Oppo 和華碩/英偉達(dá)等原始設(shè)備制造商推出了額外的配件和從 27 W 到 300 W 的“盒裝”采用，出貨量達(dá)數(shù)百萬。

GaN 是一種新的生產(chǎn)半導(dǎo)體，有望在未來幾年在許多應(yīng)用中取代硅，而電池充電是第一個(gè)展示這種采用的大批量市場(chǎng)。如今，大多數(shù)用于電子產(chǎn)品的充電器都使用硅晶體管，多年來，這些一直是效率和尺寸的最佳解決方案。然而，硅正逐漸達(dá)到其物理極限，尤其是在功率密度方面，這反過來又限制了配備硅功率元件的設(shè)備的緊湊程度。在非常高的電壓、溫度和開關(guān)頻率下，GaN 的性能優(yōu)于硅，因此可以顯著提高能源效率。

圖1：2007-2019年智能手機(jī)屏幕尺寸（cm ²）和電池容量（mAh）

對(duì)具有更大屏幕和 5G 功能的更強(qiáng)大的智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦的持續(xù)需求為下一代交流適配器創(chuàng)造了一個(gè)市場(chǎng)，可以非常快速地為越來越大的鋰離子電池充電（圖 1）。

隨著硅功率設(shè)備被替換為 GaN 替代品，我們不得不攜帶巨大的電磚和多條電纜來運(yùn)行我們的設(shè)備的日子可能會(huì)結(jié)束。我們等待為智能手機(jī)和筆記本電腦充電的時(shí)間可能會(huì)大大減少，而令人驚訝的熱充電器可能已成為過去。隨著大量充電器和 27 W 到 300 W 的 GaN 適配器的大量生產(chǎn)，為從手機(jī)到無人機(jī)的所有設(shè)備供電，移動(dòng)充電器市場(chǎng)將發(fā)生巨大變化。

Navitas 首席執(zhí)行官 Gene Sheridan 表示：“人們希望為他們的移動(dòng)設(shè)備提供更快的充電速度，這意味著需要更多的電力，但他們不想要硅基適配器的大尺寸和重量。” “手機(jī)的充電功率已從幾年前的僅 5 W 增加到今天的高端高端手機(jī)的 50 W 或更高，并且聲稱新平臺(tái)的功率高達(dá) 120 W。筆記本電腦的功率已經(jīng)達(dá)到 50 W 到 60 W，配備大而笨重的充電器，而 GaN 是提供高功率快速充電的大好機(jī)會(huì)，但外形尺寸要小得多、重量輕得多?！?

經(jīng)過 1990 年代分立 GaN 和 2000 年代集成 GaN 的多年學(xué)術(shù)研究，GaNFast 功率集成電路現(xiàn)在是一種經(jīng)過行業(yè)驗(yàn)證、具有商業(yè)吸引力的下一代解決方案，用于設(shè)計(jì)更小、更輕、更快的充電器和電源適配器。

“GaN 在 600 V 左右非常出色，在芯片面積、電路效率和開關(guān)頻率方面明顯優(yōu)于硅，因此在這些壁式充電器中使用 GaN 替代硅是一個(gè)非常好的最佳選擇，”Sheridan 說。“軟開關(guān)拓?fù)渑c我們的 GaN IC 的結(jié)合顯著提高了效率。以移動(dòng)充電器為例，采用硅和傳統(tǒng)的反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，效率僅為 87% 至 89%。采用軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的 GaN，我們的目標(biāo)是 93% 到 95%?！?

單橋和半橋 GaNFast 功率 IC 是 650-V GaN-on-Si FET，具有驅(qū)動(dòng)和邏輯的單片集成，采用四方扁平無引線 (QFN) 封裝。GaNFast 技術(shù)允許高達(dá) 10 MHz 的開關(guān)頻率，從而可以使用更小、更輕的無源元件。場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)、驅(qū)動(dòng)器和邏輯的單片集成創(chuàng)建了一個(gè)易于使用的組成組件，使設(shè)計(jì)人員能夠創(chuàng)建超快速、超緊湊和超高效的集成動(dòng)力系統(tǒng)。

集成是最小化延遲和消除限制硅和早期分立 GaN 電路開關(guān)速度的寄生電感的關(guān)鍵。憑借低至 5 ns 的傳播延遲和高達(dá) 200 V/ns 的穩(wěn)健 dV/dt，傳統(tǒng)的 65-kHz 至 100-kHz 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)可以加速到兆赫茲甚至更高的速度。這些集成電路擴(kuò)展了傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功能，例如反激式、半橋式、諧振式和其他在兆赫頻率級(jí)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而允許在商業(yè)上引入革命性項(xiàng)目（圖 2）。

圖 2：GaNFast 的集成（圖片：Navitas）

GaNFast 技術(shù)也將很快進(jìn)入世界上最快的筆記本電腦：Asus ProArt StudioBook One。ProArt One 是 Nvidia RTX Studio 系統(tǒng)，是第一款配備 Nvidia Quadro RTX 6000 GPU 的筆記本電腦，基于 Nvidia 的 ACE 參考架構(gòu)。與 Nvidia 合作開發(fā)的新 300 W AC/DC 設(shè)計(jì)利用 Navitas 的高速 GaNFast 電源 IC 電源轉(zhuǎn)換技術(shù)來創(chuàng)建功能強(qiáng)大但重量輕且小巧的便攜式充電器。

“創(chuàng)意人員和其他專業(yè)人士需要具有極高移動(dòng)性的最高計(jì)算性能，”Sheridan 說。“作為 Nvidia ACE 參考設(shè)計(jì)的一部分，Navitas 的專職技術(shù)人員與 Nvidia 工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)一起應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，以不到一半的尺寸和重量提供 300 W 筆記本電腦適配器?！?/font>

圖 3：采用 GaNFast 技術(shù)的電池充電器內(nèi)部

GaN 解決方案可實(shí)現(xiàn)更高效、更緊湊的緊湊型適配器設(shè)計(jì)。該材料提供了世界上最快的晶體管，這對(duì)于超高效的電源轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。新技術(shù)將電力電子設(shè)備的尺寸減小了 50% 以上，從而可以為移動(dòng)設(shè)備創(chuàng)建真正通用的電池充電器。

使用 GaN 半導(dǎo)體，您可以創(chuàng)建不僅效率更高的充電器，而且還可以在比傳統(tǒng)充電器更小的占地面積內(nèi)提供相同的功率。這些電源保持涼爽 - 耗散少得多，它們需要的組件更少且更便宜（圖 3）。

審核編輯：劉清