氮化鎵 (GaN) 解決方案的集成將使您擁有更小、功率更大的外殼。OPPO 宣布全面采用 Navitas Semiconductor 的 GaN (GaNFast) 電源 IC，以實現(xiàn)超薄 50W 快速電池充電器的生產(chǎn)。

新充電器的尺寸為 82 × 39 × 10.5 毫米，重量僅為 60 克。這款迷你充電器通過 OPPO 開創(chuàng)性的 SuperVOOC 快速充電協(xié)議或 USB-C 可編程電源 (PPS) 規(guī)范提供 50 W 的功率。它是一種靈活的設(shè)備，能夠為智能手機、平板電腦和小型筆記本電腦充電。

“使用氮化鎵器件管理超高頻電源解決方案是每個人多年來的夢想，而這項技術(shù)將引發(fā)電源領(lǐng)域的一場革命，”O(jiān)PPO 首席充電技術(shù)科學(xué)家張家良（Jeff）表示。

“我們今年將推出新一代 GaN 技術(shù)，繼續(xù)集成更多功能，”Navitas Semiconductor 首席執(zhí)行官 Gene Sheridan 說?！八粌H僅是一個功率晶體管；我們將模擬、邏輯和電源集成在一個芯片上。隨著我們增加集成度，這實際上使我們能夠更快地切換并獲得更好的成本點，當然，還可以簡化和縮小設(shè)計的尺寸。GaN 以我們的高集成度真正改變了移動充電器行業(yè)。我們已經(jīng)發(fā)布了 40 多種使用我們的技術(shù)的不同產(chǎn)品。OPPO 發(fā)布了最令人驚嘆的公告——50W 快速充電器，體積僅為 36 cm 3，比上一代產(chǎn)品小 70% 到 80%——這是一項非凡的技術(shù)成就?！?/p>

GaN 與 Si
問題在于硅 (Si)。您被限制在 100 kHz 左右，如果您嘗試更努力地驅(qū)動它，您會得到熱量、復(fù)雜性和無法控制的成本。然后是低頻磁體的問題，它不夠快，當你試圖以那個速度開車時，它們變得太慢了。

許多人使用會引入大量開關(guān)損耗的“硬開關(guān)”拓撲，并且當您提高頻率時，由于寄生電感增加，效率會下降。此外，舊的拓撲結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)控制 IC 的運行速度也不夠快。所以第一步是解決開關(guān)問題——通過GaN技術(shù)。

與 4H SiC 和 GaN 相比，Si 器件的基本性能，即臨界電場和載流子遷移率（來源：Navitas）

從歷史上看，第一個實現(xiàn)的 GaN 器件是“耗盡模式”（d-mode），一種常開器件，但這意味著需要一個額外的 Si 開關(guān)與 GaN 開關(guān)串聯(lián)。

早期的“增強模式”（e-mode）常關(guān)器件有一個暴露且易受攻擊的柵極，因此電壓控制意味著復(fù)雜且昂貴的驅(qū)動電路以避免不穩(wěn)定行為。

Navitas 的 GaNFast 解決方案包括一個 GaN 開關(guān)——一種場效應(yīng)晶體管 (FET)——與單片集成的模擬驅(qū)動電路和數(shù)字邏輯電路集成在與 GaN 功率器件相同的芯片上。

Navitas GaN 器件已切換到 40 MHz 用于學(xué)術(shù)研究。對于商業(yè)平臺，完全集成的 GaNFast 電源 IC 的額定頻率為 2 MHz——是可用控制器速度的兩倍。高速運行可顯著降低快速充電系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換尺寸和成本。

Navitas IC（來源：Navitas）

使用 GaN 和集成控制解決方案可實現(xiàn)極低的傳播延遲?！耙驗槲覀儗?a target="_blank">驅(qū)動器集成在芯片上，所以我們在柵源關(guān)斷回路中的電感為零，”Sheridan 說?！拔覀兛梢院芎玫乜刂七@個設(shè)備，并在最大電壓‘轉(zhuǎn)換速率’速度 [dV/dt] 高達 200 V/ns 的條件下保持關(guān)閉?！?/p>

當設(shè)計人員試圖減小充電器的尺寸時，熱密度（或簡稱“熱量”）可能會成為問題?！靶碌?NV612x 系列通過先進的冷卻墊可將溫度降低 10°C 至 15°C，以改善與 PCB 的熱界面并提供與系統(tǒng)接地的直接電氣連接，”Sheridan 說。

該解決方案可幫助設(shè)計人員超越所有熱規(guī)范和機構(gòu)批準。它不僅用于智能手機的電源解決方案，還用于筆記本電腦、電視等。

幾周前，聯(lián)想和納微半導(dǎo)體宣布推出迄今為止最快、最強大的 Legion 電子競技充電器。使用 GaNFast 電源的快速充電器已投入量產(chǎn)，并隨每部 Legion 手機“盒裝”提供。

“下一代 GaN 技術(shù)使 90-W 雙 USB-C 輸出充電器能夠提供 40% 以上的功率和 25% 的充電速度，比以前的同類最佳硬件快 25%，”Sheridan 說?！败妶F充電器的速度，對得起電競手機的處理能力。”

用于新電源的
GaN GaN 的工作速度比舊的慢速硅快 20 倍，并允許多 3 倍的功率，從而使產(chǎn)品的充電速度快 3 倍，但尺寸和重量只有一半。Navitas 的 GaNFast 功率 IC 在晶圓級的同一芯片上集成了 GaN 功率、模擬和邏輯電路，并利用這種集成來實現(xiàn)高速運行。

“傳統(tǒng)上，對于大多數(shù) GaN 晶體管來說，如何驅(qū)動和保護它們?nèi)匀皇且粋€問題，”Sheridan 說?！八鼈兪欠浅？焖俸透咝У木w管，但如果你因為需要驅(qū)動和保護敏感門而減慢它們的速度或增加成本和復(fù)雜性，它真的會扼殺價值主張。GaN 的可靠性得到了證明，我認為 EPC、Transphorm 和 Navitas 在這方面做得很好。這些公司正在向世界展示這些問題是如何解決的。尤其是 GaN 功率，我看到集成驅(qū)動和保護功能正在推動性能、更高頻率、更高效率和更低成本?！?/p>

當今電子產(chǎn)品的低開關(guān)頻率意味著體積龐大、笨重且昂貴的磁性元件、電容器和儲能元件。如果可以提高這些頻率，設(shè)備就可以變得更小、更輕、成本更低。然而，今天的硅基電子設(shè)備不允許這樣做，并且停留在幾十千赫茲。

對于 50-W Mini SuperVOOC，GaNFast 解決方案已將電源拓撲導(dǎo)向“脈沖”有源鉗位反激式 (ACF)，它可以承受較寬的輸入電壓范圍，同時保持恒定輸出為手機電池充電。這允許設(shè)計人員從系統(tǒng)中移除電解“大容量電容器”，該電容器可占總體積的 40%。

此外，高度超過 20 mm 的傳統(tǒng) 50 kHz“線繞”變壓器可以被新的 800 kHz 高速、輕量級、外形尺寸為 8 mm 的平面變壓器取代。

下一個需要關(guān)注的市場是無線充電和數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心繼續(xù)充斥著數(shù)據(jù)，而電力使用與數(shù)據(jù)成正比。因此，適當?shù)?a target="_blank">電源管理在這里至關(guān)重要。

“舊的硅芯片位于數(shù)據(jù)中心，造成了熱和功耗問題，”Sheridan 說?！耙虼?，我們認為數(shù)據(jù)中心是 GaN 的下一個大市場——在電力需求也很高的電動汽車中也是如此。我們對這些機會感到非常興奮。我們在電動汽車和數(shù)據(jù)中心方面正在進行合作，以將能源效率提高約 30%，這意味著將 30% 的能量提供給處理器或電池，而不是以熱量的形式浪費掉?！?/p>

GaN 解決方案使您能夠開發(fā)更高效、更緊湊的適配器設(shè)計。它們提供世界上最快的晶體管，這對于超高效的電源轉(zhuǎn)換至關(guān)重要。

審核編輯 黃昊宇