充电器的“减肥药”!GaN(氮化镓)到底是个啥?

CFan 电脑爱好者 2020-08-19 08:32产品 标签:减肥药 充电器

在PC电源和充电器市场,从去年开始便流行起一个名为“GaN”(氮化镓)的概念,并因这项技术的加盟获得了更为出色的电气性能。那么,GaN到底是一种怎样的技术,它能对我们未来的生活产生哪些影响呢?

功率体积闹矛盾

无论是笔记本还是智能手机,专门给适配器/充电器“减肥”是一件非常费力不讨好的事情,毕竟对绝大多数普通消费者而言,有着免费(随机附赠)的不用,为了小一圈的充电器花钱很不经济。

然而,随着USB Type-C接口和USB PD快充成为行业标准之后,新款手机、笔记本(主要是中高端轻薄本)和Switch游戏掌机等数码设备居然用上了同一套充电协议,这意味着研发一款USB PD充电器将拥有无数的“潜在客户”,只要产品够好绝对不愁卖!

03

于是,小小的充电器也开始了跨界之旅——笔记本适配器号称兼容手机,而手机的充电器则主打能为笔记本供电,出差时一个(PD充电器)在手,全家(随身携带的所有数码设备)不愁。

问题来了,什么样的充电器才够好呢?没错,就是大功率+小身材,也就是当充电器解决矛盾之后的样子。

瘦身的“拖油瓶”

充电器虽然不大,但它内部却集成了包括初级开关管、次级同步整流管、PWM控制器、同步整流控制器、变压器、电解电容、整流桥、共模电感、慢熔保险丝、快充协议控制芯片和各种MOSFET在内的数十种零部件。

04

学过初中物理的同学应该都知道,在充电功率相同时,充电器的体积越大散热效果必然越好。如果盲目地在缩小充电器体积的同时提高功率,发热量将难以控制,极端情况下甚至会引起火灾等隐患。

在充电器的内部构成中,MOSFET(金氧半场效晶体管,简称MOS或功率器件)至关重要,它影响着该产品所支持的最大输入/输出功率和功率转换耗损率,也是高负载运行时发热量最大的零部件之一。

05

一款充电器能否在支持更高功率的同时加以瘦身,最有效的解决方案就是提升MOSFET的性能并降低它的发热量。

可惜,当前用于生产MOSFET的第一代(Ge、Si)和第二代半导体材料(GaAs、InP)在单位体积的功率转换上都遇到了天花板,想进一步提升功率就必须留出足够的散热空间,也就是牺牲体积。

为此,英飞凌曾推出过“Cool MOSFET”(Coolmos),这是一种改进型结构的MOSFET,具有更低的导通电阻、更快的开关速度,可以实现更高的功率转换效率。还记得联想在2018年推出的ThinkPlus口红电源吗?这款超迷你的65W充电器只有成年人的两根手指大小,重量不足120g,堪称充电器领域的“小网红”。

06

而它能之所以能实现如此迷你身材,就是内置了型号为IPL60R365P7的英飞凌Cool MOSFET芯片。

07

可惜,哪怕是Cool MOSFET也依旧存在天花板,在65W功率下ThinkPlus的体型就算是极限了。还好,市面上随后出现了一类主打GaN(氮化镓)的迷你充电器,同样是65W的充电功率,体型却比ThinkPlus小了一大圈,几乎和传统手机用的18W快充充电器大小差不多。

08

那么,这种超迷你的大功率充电器又是怎样炼成的呢?

氮化镓的神助攻

目前主流的MOSFET都是基于Si硅制造的,既然这种半导体材料在高功率下已经不堪重负,那更换另外一种半导体材料不就结了?

于是,一种名为“GaN”(氮化镓)的元素出现了,它是由氮和镓组成的一种人造化合物,与碳化硅(SiC)并称为第三代半导体材料的双雄。

09

GaN氮化镓材料稳定又坚硬,它的熔点约为1700℃,做成GaN功率器件(GaNFET)后可以在200℃以上的高温下工作。氮化镓比硅材料的禁带宽度大3倍、击穿场强高10倍、饱和电子迁移速度快3倍、热导率高2倍,这些性能提升带来的优势就是它比硅更适合做大功率高频的功率器件。

假如电源插孔内的交流电是一望无际的湖水,充电器内的功率器件就像勺子,需要不断将插孔内的湖水捞出,转化为直流电后再传输给数码设备供电。此时,用MOSFET做的勺子每秒钟只能勺10下,再快就有烧毁罢工的风险。而GaNFET做的勺子每秒则可以勺至少30下,效率高还不怕累。

在这种低损耗和高开关频率特性的帮助下,GaN氮化镓能以更低的发热量去承受更大的功率。因此,功率相同的充电器,采用GaNFET功率器件的产品往往可以做的更轻巧迷你

10

需要注意的是,GaN充电器并不是什么新鲜事物,早在2018年底,ANKER就在美国纽约发布了型号为“PowerPort Atom PD 1”的GaN充电器,在年初CES2020大展上亮相的GaN充电器数量更是接近70款,覆盖18W~100W等多个充电功率档位。

还记得2019年10月上市的OPPO Reno Ace吗?这款手机支持高达65W的SuperVOOC 2.0闪充,其标配的充电器就使用了氮化镓,OPPO也因此成为了全球首家在充电器中导入GaNFET的手机厂商。

11

可惜,OPPO Reno Ace的GaN充电器并不支持PD协议,只有搭配支持自家SuperVOOC 2.0技术的手机才能输出65W,较窄的适用范围注定它很难被大众所熟知。此外。Reno Ace标配的65W充电器体型较大,并没有体现出氮化镓可以帮助充电器瘦身的特性。

未标题-1

今年OPPO还高调发布了125W闪充充电器、110W 超闪mini充电器、65W AirVOOC无线充电器和50W超闪饼干充电器,它们的共性就是身材性感,而且兼容SuperVOOC、VOOC和PD等快充协议,兼容性更好。

图片1

而这些新一代闪充充电器可以瘦身的秘诀,依旧是内部加入了氮化镓高频开关。以50W超闪饼干充电器为例,它的厚度仅10.5mm,配合折叠插脚设计,轻松适应日常收纳携带,可轻松放置于衬衫、牛仔裤口袋,超小无负担。

OPPO

时至今日,引入氮化镓的充电器已经成为高端手机的标配,在第三方PD充电器市场也呈现出了燎原之势,甚至已经出现了支持90W~120W的氮化镓充电器,可以同时为轻薄本和手机满血充电。

捕获

小结

抛开GaN氮化镓在其他领域的贡献不谈,单凭它对充电器功率提高和体型缩小的改进来看,就是一项非常值得期待和普及的技术。未来,一个只有1/4烟盒大小的充电器就能具备超过100W的输出功率,兼容所有的数码设备,想想都美妙。同时,我们也希望氮化镓能早日用于游戏本的电源适配器,帮助150W起步的“砖头”瘦身,终结游戏本越来越轻薄而适配器却依旧呆板笨重的历史。

入驻平台680