氮化鎵神助攻設(shè)計(jì)出大功率+小身材的充電器

在PC電源和充電器市場(chǎng)，從去年開始便流行起一個(gè)名為“GaN”（氮化鎵）的概念，并因這項(xiàng)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(duì)我們未來(lái)的生活產(chǎn)生哪些影響呢？

功率體積鬧矛盾

無(wú)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(duì)絕大多數(shù)普通消費(fèi)者而言，有著免費(fèi)（隨機(jī)附贈(zèng)）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(wú)數(shù)的“潛在客戶”，只要產(chǎn)品夠好絕對(duì)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(hào)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(shí)一個(gè)（PD充電器）在手，全家（隨身攜帶的所有數(shù)碼設(shè)備）不愁。

問(wèn)題來(lái)了，什么樣的充電器才夠好呢？沒錯(cuò)，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(jí)開關(guān)管、次級(jí)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(xiǎn)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(guò)初中物理的同學(xué)應(yīng)該都知道，在充電功率相同時(shí)，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(shí)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(chǎng)效晶體管，簡(jiǎn)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(shí)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(shí)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(guò)“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(shí)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(shí)現(xiàn)如此迷你身材，就是內(nèi)置了型號(hào)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(jiān)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(chǎng)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(lái)的優(yōu)勢(shì)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(wú)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(shí)，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(xiǎn)。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(guó)紐約發(fā)布了型號(hào)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(gè)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(wú)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(jì)，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(wú)負(fù)擔(dān)。

時(shí)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(chǎng)也呈現(xiàn)出了燎原之勢(shì)，甚至已經(jīng)出現(xiàn)了支持90W~120W的氮化鎵充電器，可以同時(shí)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(duì)充電器功率提高和體型縮小的改進(jìn)來(lái)看，就是一項(xiàng)非常值得期待和普及的技術(shù)。未來(lái)，一個(gè)只有1/4煙盒大小的充電器就能具備超過(guò)100W的輸出功率，兼容所有的數(shù)碼設(shè)備，想想都美妙。同時(shí)，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(lái)越輕薄而適配器卻依舊呆板笨重的歷史。