功率體積鬧矛盾

電腦（包括筆記本）和手機，應(yīng)該是與我們生活最密不可分的數(shù)碼設(shè)備，而它們在追求更快更強的道路上，也給我們提出了不少難題。比如，供電和充電。

電腦硬件的規(guī)格越高，就需要配備更高功率的電源適配器，500W80Plus電源已經(jīng)成為了游戲型電腦的底線，而武裝GTX1660Ti或更高級別獨顯的游戲本，也需要搭配150W起步的適配器。在輕薄本領(lǐng)域，雖然很早就有產(chǎn)品使用USBType-C接口充電（PD協(xié)議），但標配的適配器體積也有著與手掌相仿的體積（圖1），筆記本自身雖然便攜，但要再算上適配器，肩膀和背包就該提出抗議了。

在智能手機領(lǐng)域，隨著微信、抖音、王者榮耀等APP的流行，哪怕配備4000mAh電池的手機也難逃一天N充的宿命。在電池技術(shù)沒有突破之前，改善續(xù)航的唯一出路就是提升充電效率，于是我們便看到了高通QC、聯(lián)發(fā)科PE、華為SuperCharge和OPPOVOOC等快充技術(shù)的流行，而充電功率也從18W一路提升到了65W，未來甚至有望突破120W大關(guān)（圖2），最快13分鐘就能讓內(nèi)置4000mAh電池的手機“滿血復(fù)活”

然而，智能手機也碰到了和輕薄本相同的困局，支持大功率的充電器往往也都是“大塊頭”，整天揣著它外出并不現(xiàn)實。那么，這個矛盾就無法解決嗎？

有利益才有動力

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

然而，隨著USB Type-C接口和USB PD快充成為行業(yè)標準之后，新款手機、筆記本（主要是中高端輕薄本）和Switch游戲掌機等數(shù)碼設(shè)備居然用上了同一套充電協(xié)議（圖3），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，而手機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（圖4）。

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（圖5），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，也是高負載運行時發(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?？上?，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“CoolMOSFET”（Coolmos），這是一種改進型結(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?。▓D6），重量不足120g，堪稱充電器領(lǐng)域的“小網(wǎng)紅”。而它之所以能實現(xiàn)如此迷你的身材，就是內(nèi)置了型號為IPL60R365P7的英飛凌Cool MOSFET芯片（圖7）。

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。令人欣喜的是，現(xiàn)在市面上出現(xiàn)了一種主打GaN（氮化鎵）的迷你充電器，同樣是6 5W的充電功率，體型卻比ThinkPlus小了一大圈（圖8），幾乎和傳統(tǒng)手機用的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，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（圖9），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，需要不斷地將插孔內(nèi)的湖水撈出，轉(zhuǎn)換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撈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撈至少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)品往往可以做得更輕巧迷你（圖10）。

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“PowerPortAtomPD1”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OPPORenoAce嗎？這款手機支持高達65W的SuperVOOC2.0閃充，其標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的手機廠商（圖11）?？上?，OPPORenoAce的GaN充電器并不支持PD協(xié)議，只有搭配支持自家SuperVOOC2.0技術(shù)的手機才能輸出65W，較窄的適用范圍注定它很難被大眾所熟知。

2020年2月，在小米10系列手機的發(fā)布會上，雷軍高調(diào)發(fā)布了小米GaN充電器，也因此成為了第一家將氮化鎵USB PD快充單獨零售的品牌手機企業(yè)。和OPPO的GaN充電器相比，小米GaN充電器不僅支持小米10系列3 0W/50W的私有協(xié)議，還支持PD協(xié)議，兼容市面上主流的智能手機、Type-C接口的筆記本電腦及其他電子設(shè)備。再結(jié)合其超迷你的身材和創(chuàng)下行業(yè)新低的149元售價（圖12），引起了最廣泛用戶對氮化鎵的高度關(guān)注，有消息稱華為、蘋果和三星等廠商也計劃推出GaN充電器。

目前可以商業(yè)化量產(chǎn)GaNFET功率器件的廠商主要包括美國的Power Integrations（PI）和納微半導(dǎo)體（Navitas），以及國內(nèi)的英諾賽科（Innoscience）。ANKER、倍思和小米等品牌旗下GaN充電器采用的多是來自納微半導(dǎo)體的GaNFast功率IC，而OPPO的GaN充電器選用的則是PI旗下的PowiGaN系列氮化鎵IC。

氮化鎵不僅限于充電器

如果你以為GaN氮化鎵只能幫助充電器瘦身那就太小看它了。氮化鎵最早可以追溯到1970年代，它最早用于制造LED，如今更是已成為LED的主流技術(shù)。

本文在引言中曾提到過PC電源，鑫谷在2019年5月底發(fā)布的“昆侖”電源概念版就首次引入了氮化鎵功率器件，使得它完全有能力在真實全模狀態(tài)下沖擊80Plus鈦金效率，甚至有望沖擊95%的超高轉(zhuǎn)換效率（圖13）。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，用氮化鎵材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的MOSFET后，電源的驅(qū)動損耗、開關(guān)損耗會更小，死區(qū)也縮?。s短優(yōu)化開關(guān)轉(zhuǎn)換時的死區(qū)時間）。而更高的電子遷移率使得反向恢復(fù)時間極短，也就不存在反向損耗。

實際上，GaN氮化鎵的下游應(yīng)用非常豐富，在無線通信、衛(wèi)星通信、雷達預(yù)警的微波射頻領(lǐng)域和包括消費電子、智能電網(wǎng)、新能源汽車在內(nèi)的電力電子領(lǐng)域也都可以看到它的身影。特別是隨著5G時代的來臨，基于氮化鎵的功率芯片正在5G基站市場站穩(wěn)腳跟。在5G毫米波應(yīng)用上，氮化鎵的高功率密度特性也能在實現(xiàn)相同覆蓋條件及用戶追蹤功能下，減少收發(fā)通道數(shù)及整體方案的尺寸，從而融入更輕薄的手機中。

小結(jié)

拋開GaN氮化鎵在其他領(lǐng)域的貢獻不談，單憑它對充電器功率的提高和體型縮小的改進來看，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60W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120W起步的“磚頭”瘦身，終結(jié)游戲本越來越輕薄而適配器卻依然笨重的歷史。