采用 GaN 技术的快速充电器

氮化镓 (GaN) 解决方案的集成将使您拥有更小、功率更大的外壳。OPPO 宣布全面采用 Navitas Semiconductor 的 GaN (GaNFast) 电源 IC，以实现超薄 50W 快速电池充电器的生产。

新充电器的尺寸为 82 × 39 × 10.5 毫米，重量仅为 60 克。这款迷你充电器通过 OPPO 开创性的 SuperVOOC 快速充电协议或 USB-C 可编程电源 (PPS) 规范提供 50 W 的功率。它是一种灵活的设备，能够为智能手机、平板电脑和小型笔记本电脑充电。

“使用氮化镓器件管理超高频电源解决方案是每个人多年来的梦想，而这项技术将引发电源领域的一场革命，”OPPO 首席充电技术科学家张家良（Jeff）表示。

“我们今年将推出新一代 GaN 技术，继续集成更多功能，”Navitas Semiconductor 首席执行官 Gene Sheridan 说。“它不仅仅是一个功率晶体管；我们将模拟、逻辑和电源集成在一个芯片上。随着我们增加集成度，这实际上使我们能够更快地切换并获得更好的成本点，当然，还可以简化和缩小设计的尺寸。GaN 以我们的高集成度真正改变了移动充电器行业。我们已经发布了 40 多种使用我们的技术的不同产品。OPPO 发布了最令人惊叹的公告——50W 快速充电器，体积仅为 36 cm 3，比上一代产品小 70% 到 80%——这是一项非凡的技术成就。”

GaN 与 Si
问题在于硅 (Si)。您被限制在 100 kHz 左右，如果您尝试更努力地驱动它，您会得到热量、复杂性和无法控制的成本。然后是低频磁体的问题，它不够快，当你试图以那个速度开车时，它们变得太慢了。

许多人使用会引入大量开关损耗的“硬开关”拓扑，并且当您提高频率时，由于寄生电感增加，效率会下降。此外，旧的拓扑结构和传统控制 IC 的运行速度也不够快。所以第一步是解决开关问题——通过GaN技术。

与 4H SiC 和 GaN 相比，Si 器件的基本性能，即临界电场和载流子迁移率（来源：Navitas）

从历史上看，第一个实现的 GaN 器件是“耗尽模式”（d-mode），一种常开器件，但这意味着需要一个额外的 Si 开关与 GaN 开关串联。

早期的“增强模式”（e-mode）常关器件有一个暴露且易受攻击的栅极，因此电压控制意味着复杂且昂贵的驱动电路以避免不稳定行为。

Navitas 的 GaNFast 解决方案包括一个 GaN 开关——一种场效应晶体管 (FET)——与单片集成的模拟驱动电路和数字逻辑电路集成在与 GaN 功率器件相同的芯片上。

Navitas GaN 器件已切换到 40 MHz 用于学术研究。对于商业平台，完全集成的 GaNFast 电源 IC 的额定频率为 2 MHz——是可用控制器速度的两倍。高速运行可显着降低快速充电系统的功率转换尺寸和成本。

Navitas IC（来源：Navitas）

使用 GaN 和集成控制解决方案可实现极低的传播延迟。“因为我们将驱动器集成在芯片上，所以我们在栅源关断回路中的电感为零，”Sheridan 说。“我们可以很好地控制这个设备，并在最大电压‘转换速率’速度 [dV/dt] 高达 200 V/ns 的条件下保持关闭。”

当设计人员试图减小充电器的尺寸时，热密度（或简称“热量”）可能会成为问题。“新的 NV612x 系列通过先进的冷却垫可将温度降低 10°C 至 15°C，以改善与 PCB 的热界面并提供与系统接地的直接电气连接，”Sheridan 说。

该解决方案可帮助设计人员超越所有热规范和机构批准。它不仅用于智能手机的电源解决方案，还用于笔记本电脑、电视等。

几周前，联想和纳微半导体宣布推出迄今为止最快、最强大的 Legion 电子竞技充电器。使用 GaNFast 电源的快速充电器已投入量产，并随每部 Legion 手机“盒装”提供。

“下一代 GaN 技术使 90-W 双 USB-C 输出充电器能够提供 40% 以上的功率和 25% 的充电速度，比以前的同类最佳硬件快 25%，”Sheridan 说。“军团充电器的速度，对得起电竞手机的处理能力。”

用于新电源的
GaN GaN 的工作速度比旧的慢速硅快 20 倍，并允许多 3 倍的功率，从而使产品的充电速度快 3 倍，但尺寸和重量只有一半。Navitas 的 GaNFast 功率 IC 在晶圆级的同一芯片上集成了 GaN 功率、模拟和逻辑电路，并利用这种集成来实现高速运行。

“传统上，对于大多数 GaN 晶体管来说，如何驱动和保护它们仍然是一个问题，”Sheridan 说。“它们是非常快速和高效的晶体管，但如果你因为需要驱动和保护敏感门而减慢它们的速度或增加成本和复杂性，它真的会扼杀价值主张。GaN 的可靠性得到了证明，我认为 EPC、Transphorm 和 Navitas 在这方面做得很好。这些公司正在向世界展示这些问题是如何解决的。尤其是 GaN 功率，我看到集成驱动和保护功能正在推动性能、更高频率、更高效率和更低成本。”

当今电子产品的低开关频率意味着体积庞大、笨重且昂贵的磁性元件、电容器和储能元件。如果可以提高这些频率，设备就可以变得更小、更轻、成本更低。然而，今天的硅基电子设备不允许这样做，并且停留在几十千赫兹。

对于 50-W Mini SuperVOOC，GaNFast 解决方案已将电源拓扑导向“脉冲”有源钳位反激式 (ACF)，它可以承受较宽的输入电压范围，同时保持恒定输出为手机电池充电。这允许设计人员从系统中移除电解“大容量电容器”，该电容器可占总体积的 40%。

此外，高度超过 20 mm 的传统 50 kHz“线绕”变压器可以被新的 800 kHz 高速、轻量级、外形尺寸为 8 mm 的平面变压器取代。

下一个需要关注的市场是无线充电和数据中心。数据中心继续充斥着数据，而电力使用与数据成正比。因此，适当的电源管理在这里至关重要。

“旧的硅芯片位于数据中心，造成了热和功耗问题，”Sheridan 说。“因此，我们认为数据中心是 GaN 的下一个大市场——在电力需求也很高的电动汽车中也是如此。我们对这些机会感到非常兴奋。我们在电动汽车和数据中心方面正在进行合作，以将能源效率提高约 30%，这意味着将 30% 的能量提供给处理器或电池，而不是以热量的形式浪费掉。”

GaN 解决方案使您能够开发更高效、更紧凑的适配器设计。它们提供世界上最快的晶体管，这对于超高效的电源转换至关重要。

审核编辑 黄昊宇