用于快速充电器的GaNFast

Navitas 的集成 GaN 解决方案 (GaNFast) 通过提供 5 倍的功率密度、40% 的节能和 20% 的生产成本，使充电系统的运行速度比使用传统硅组件的系统快 100 倍。例如，您可以更快地为智能手机充电。

2018 年中后期，功率氮化镓 (GaN) 最初在售后市场采用的是 Anker、Aukey 和 RAVpower 的 24 至 65 瓦充电器。在 2019 年，我们看到了额外的配件版本，现在三星、Verizon、Oppo 和华硕/英伟达等 OEM 厂商采用了 27 到 300 瓦的“内置”，出货量达数百万台。

GaN 是一种新的生产半导体，有望在未来几年在许多应用中取代硅，而电池充电是第一个展示这种采用的大批量市场。如今，大多数用于电子产品的充电器都使用硅晶体管，多年来这一直是效率和尺寸的最佳解决方案。硅正在逐渐达到其物理极限，尤其是在功率密度方面；这反过来又限制了配备硅功率组件的设备的紧凑程度。在非常高的电压、温度和开关频率下，GaN 与硅相比具有卓越的性能，因此可以显着提高能效。

图 1：2007-2019 年智能手机屏幕尺寸 (cm2) 和电池容量 (mAhr)

对具有更大屏幕和 5G 功能的功能更强大的智能手机、平板电脑和笔记本电脑的持续需求为下一代交流适配器创造了市场，以非常快地为越来越大的锂离子电池充电（图 1）。

随着硅功率器件被 GaN 替代，我们被迫携带巨大的电砖和多条电缆来运行我们的设备的日子可能会结束。我们等待为智能手机和笔记本电脑充电的时间可能会大大减少，而且令人惊讶的热充电器可能已成为过去。随着大量 27W 到 300W 的充电器和 GaN 适配器的大规模生产，为从手机到无人机的所有设备供电，移动充电器市场将发生巨大变化。

“人们希望为他们的移动设备更快地充电，这意味着需要更多的电力，但他们不想要硅基适配器的大尺寸和大重量。手机的充电功率从几年前的 5 瓦增加到如今高端、优质手机的 50 瓦或更高，并且声称用于新平台的功率高达 120 瓦。Navitas 首席执行官 Gene Sheridan 表示，笔记本电脑的功率已经达到 50 到 60 瓦，并配备了笨重的充电器，而 GaN 是提供高功率快速充电的大好机会，但外形更小、重量更轻。

经过 1990 年代对分立 GaN 和 2000 年代集成 GaN 的多年学术研究，GaNFast 功率集成电路现在是经过行业验证、具有商业吸引力的下一代解决方案，用于设计更小、更轻、更快的充电器和电源适配器。

“GaN 在 600 伏左右的电压非常好，在芯片面积、电路效率和开关频率方面明显优于硅，因此在这些壁式充电器中使用 GaN 替代硅是一个非常好的甜蜜点，”Sheridan 说。“软开关拓扑与我们的 GaN IC 的结合极大地提高了效率。以移动充电器为例，使用硅和传统的反激式拓扑，效率仅为 87-89%。使用软开关拓扑中的 GaN，我们看到了 93-95%。”

单桥和半桥 GaNFast 功率 IC 是 650V GaN-on-Si FET，具有驱动和逻辑的单片集成，采用四方扁平无引线 (QFN) 封装。GaNFast 技术允许开关频率高达 10 MHz，从而能够使用更小、更轻的无源元件。场效应晶体管 (FET)、驱动器和逻辑的单片集成创建了一个易于使用的组成组件，使设计人员能够创建超快速、超紧凑和超高效的集成动力系统。

集成是最小化延迟和消除寄生电感的关键，这些寄生电感限制了 Si 和早期分立 GaN 电路的开关速度。凭借低至 5 ns 的传播延迟和高达 200 V/ns 的稳健 dV/dt，传统的 65-100 kHz 转换器设计可以加速至 MHz 甚至更高。这些集成电路在 MHz 量级的频率上扩展了传统拓扑（例如反激式、半桥式、谐振式等）的功能，从而允许革命性项目的商业引入（图 2）。

图 2：GaNFast 的集成 [来源：Navitas]

GaNFast 技术也将很快应用于世界上最快的笔记本电脑：Asus ProArt StudioBook One。ProArt One 是一款 NVIDIA RTX Studio 系统，是第一款配备 NVIDIA Quadro RTX 6000 GPU 的笔记本电脑，它基于 NVIDIA 的 ACE 参考架构。与 NVIDIA 合作开发的全新 300W AC-DC 设计利用 Navitas 的高速 GaNFast 电源 IC 电源转换技术打造功能强大但重量轻的小型便携式充电器。

“创意人员和其他专业人士需要具有极高移动性的最高计算性能，”Sheridan 说。“作为 NVIDIA ACE 参考设计的一部分，Navitas 的专职技术人员与 NVIDIA 工程设计团队合作应对这一挑战，以不到一半的尺寸和重量提供 300 瓦的笔记本电脑适配器，”他补充道。

审核编辑：刘清