用于快速充電器的GaNFast

Navitas 的集成 GaN 解決方案 (GaNFast) 通過(guò)提供 5 倍的功率密度、40% 的節(jié)能和 20% 的生產(chǎn)成本，使充電系統(tǒng)的運(yùn)行速度比使用傳統(tǒng)硅組件的系統(tǒng)快 100 倍。例如，您可以更快地為智能手機(jī)充電。

2018 年中后期，功率氮化鎵 (GaN) 最初在售后市場(chǎng)采用的是 Anker、Aukey 和 RAVpower 的 24 至 65 瓦充電器。在 2019 年，我們看到了額外的配件版本，現(xiàn)在三星、Verizon、Oppo 和華碩/英偉達(dá)等 OEM 廠商采用了 27 到 300 瓦的“內(nèi)置”，出貨量達(dá)數(shù)百萬(wàn)臺(tái)。

GaN 是一種新的生產(chǎn)半導(dǎo)體，有望在未來(lái)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(lái)這一直是效率和尺寸的最佳解決方案。硅正在逐漸達(dá)到其物理極限，尤其是在功率密度方面；這反過(guò)來(lái)又限制了配備硅功率組件的設(shè)備的緊湊程度。在非常高的電壓、溫度和開(kāi)關(guān)頻率下，GaN 與硅相比具有卓越的性能，因此可以顯著提高能效。

圖 1：2007-2019 年智能手機(jī)屏幕尺寸 (cm2) 和電池容量 (mAhr)

對(duì)具有更大屏幕和 5G 功能的功能更強(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)造了市場(chǎng)，以非?？斓貫樵絹?lái)越大的鋰離子電池充電（圖 1）。

隨著硅功率器件被 GaN 替代，我們被迫攜帶巨大的電磚和多條電纜來(lái)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，而且令人驚訝的熱充電器可能已成為過(guò)去。隨著大量 27W 到 300W 的充電器和 GaN 適配器的大規(guī)模生產(chǎn)，為從手機(jī)到無(wú)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。

“人們希望為他們的移動(dòng)設(shè)備更快地充電，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大重量。手機(jī)的充電功率從幾年前的 5 瓦增加到如今高端、優(yōu)質(zhì)手機(jī)的 50 瓦或更高，并且聲稱用于新平臺(tái)的功率高達(dá) 120 瓦。Navitas 首席執(zhí)行官 Gene Sheridan 表示，筆記本電腦的功率已經(jīng)達(dá)到 50 到 60 瓦，并配備了笨重的充電器，而 GaN 是提供高功率快速充電的大好機(jī)會(huì)，但外形更小、重量更輕。

經(jīng)過(guò) 1990 年代對(duì)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)在是經(jīng)過(guò)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 伏左右的電壓非常好，在芯片面積、電路效率和開(kāi)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)非常好的甜蜜點(diǎn)，”Sheridan 說(shuō)?！败涢_(kāi)關(guān)拓?fù)渑c我們的 GaN IC 的結(jié)合極大地提高了效率。以移動(dòng)充電器為例，使用硅和傳統(tǒng)的反激式拓?fù)洌蕛H為 87-89%。使用軟開(kāi)關(guān)拓?fù)渲械?GaN，我們看到了 93-95%。”

單橋和半橋 GaNFast 功率 IC 是 650V 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(wú)引線 (QFN) 封裝。GaNFast 技術(shù)允許開(kāi)關(guān)頻率高達(dá) 10 MHz，從而能夠使用更小、更輕的無(wú)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寄生電感的關(guān)鍵，這些寄生電感限制了 Si 和早期分立 GaN 電路的開(kāi)關(guān)速度。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 65-100 kHz 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)可以加速至 MHz 甚至更高。這些集成電路在 MHz 量級(jí)的頻率上擴(kuò)展了傳統(tǒng)拓?fù)洌ɡ绶醇な?、半橋式、諧振式等）的功能，從而允許革命性項(xiàng)目的商業(yè)引入（圖 2）。

圖 2：GaNFast 的集成 [來(lái)源：Navitas]

GaNFast 技術(shù)也將很快應(yīng)用于世界上最快的筆記本電腦：Asus ProArt StudioBook One。ProArt One 是一款 NVIDIA RTX Studio 系統(tǒng)，是第一款配備 NVIDIA Quadro RTX 6000 GPU 的筆記本電腦，它基于 NVIDIA 的 ACE 參考架構(gòu)。與 NVIDIA 合作開(kāi)發(fā)的全新 300W AC-DC 設(shè)計(jì)利用 Navitas 的高速 GaNFast 電源 IC 電源轉(zhuǎn)換技術(shù)打造功能強(qiáng)大但重量輕的小型便攜式充電器。

“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(shuō)?！白鳛?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)合作應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，以不到一半的尺寸和重量提供 300 瓦的筆記本電腦適配器，”他補(bǔ)充道。

審核編輯：劉清