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究竟哪种AC适配器性能最优:GaN、SiC还是Si?

时间:2019-10-12 作者:Sinjin Dixon-Warren, TechInsights 阅读:
目前,移动设备并不像我们想象的那样具有移动性。每个移动设备都需要定期重新连接AC适配器,为其锂离子电池充电。根据TechInsights对三个主要产品的分析,有效的大功率、紧凑型AC适配器可以采用碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)和硅超结这三种材料来设计制造。究竟哪种AC适配器性能最优呢?

根据TechInsights对三个主要产品的分析,有效的大功率、紧凑型AC适配器可以采用碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)和硅超结这三种材料来设计制造。vPQEETC-电子工程专辑

AC适配器的存在不断提醒着我们,我们钟爱的移动设备并不像我们想象的那样具有移动性。每个移动设备都需要定期重新连接AC适配器,为其锂离子电池充电。vPQEETC-电子工程专辑

虽然需求保持不变,但充电技术的背后却在不断发生变化。虽然硅一直是该领域的成熟技术,但制造商们现在正在考虑采用碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)技术来实现更高的效率。vPQEETC-电子工程专辑

最初,大多数AC适配器基本上是线性电源,它将变压器与桥式整流器以及电容器滤波器组合在一起,将AC主电压转换为平滑的低压DC电流以便适合给电池充电。这些适配器仅限于特定的AC电压输入,以产生特定的DC电压输出,通常不能在国际上通用。它们又笨重又累赘,每个需要DC电源的设备通常都需要一个不同的适配器。而且,基于线性变压器的充电技术效率低下,因为多余的功率会以热量的形式耗散,即使在无负载电流的情况下也会耗散功率。vPQEETC-电子工程专辑

自20世纪80年代以来,开关模式电源(SMPS)逐步取代了基于线性变压器的充电技术。各种各样的电路拓扑结构出现,但基本上,它们都基于相同的原理:AC电压被整流为高DC电压用以驱动开关电路,这种开关电路包含一个高频工作的变压器,并以所期望的低电压输出DC电流。vPQEETC-电子工程专辑

SMPS的最大好处是它们适用于各种AC输入电压和频率,因此得以生产“国际通用”的适配器。此外,SMPS还可以通过配置产生各种DC输出,通过改变高压开关电路的开-关时间比例即可实现电压调节。vPQEETC-电子工程专辑

相对较新的USB-C充电标准旨在提供高达100W(比如电压为20V、电流为5A)的可变充电功率,从而可以使用单个AC适配器为各种设备充电。此外,USB-C线缆是双向的,即可以使用相同的数据线通过显示器为笔记本电脑充电或通过笔记本电脑为手机充电。设备一旦连接,充电功率和电压即可动态配置。vPQEETC-电子工程专辑

用于消费类应用的SMPS通常需要额定电压为600V的场效应晶体管(FET)。该FET用来驱动SMPS中变压器的高压高频开关。vPQEETC-电子工程专辑

合适的FET可以采用宽带隙氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)或硅(Si)制造。硅基超级结MOSFET技术目前在移动设备AC适配器市场仍占主导地位,但GaN和SiC器件将承诺提供更高的效率和更小的外形尺寸。vPQEETC-电子工程专辑

目前提出的GaN器件是在GaN-on-Si衬底上形成的横向高电子迁移率晶体管(HEMT)。宽带隙市场目前有多家AC适配器初创公司,但截至目前还没有一家主要OEM厂商采用这种技术。接下来,我们来比较一下这三种关键器件。vPQEETC-电子工程专辑

Avogy Zolt充电器采用了SiC,而不是GaN

2016年,TechInsights曾研究了Avogy的Zolt笔记本电脑充电器,型号ZM070LTPX01-G。尽管Avogy声称是GaN器件供应商,但TechInsights却发现Zolt中采用了一个SiC功率FET,而且可能由Cree制造,包装却印上了Avogy的标记。vPQEETC-电子工程专辑

我们PntPower.com的同事随后指出,Avogy采用SiC器件的原因之一是当时SiC可用并有效。图1展示了Zolt笔记本电脑充电器的主板,并标示了AV150-00028 SiC器件的位置。vPQEETC-电子工程专辑

Avogy现在已不再是一个独立公司,但Avogy Zolt仍能够通过第三方零售商购买到。 TechInsights追踪了Zolt产品的14项设计,涉及多家公司,其中包括英飞凌、Maxim、Microchip和德州仪器等。vPQEETC-电子工程专辑

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图1vPQEETC-电子工程专辑

采用GaN器件的RAVPower RP-PC104

自2016年以来,GaN商用市场取得了长足发展。现在有越来越多的供应商提供基于GaN的AC适配器,包括RAVPower、Anker、FINsix、Made in Mind(Mu One)等。vPQEETC-电子工程专辑

现在有许多供应商提供GaN FET器件,从GaN Systems和Navitas等小型初创公司到英飞凌和松下等大型企业。最近,TechInsights发布了对RAVPower RP-PC104 45 W USB-C充电器的一些拆解结果,该充电器宣称基于GaN技术。vPQEETC-电子工程专辑

我们发现RP-PC104采用了两颗Navitas NV6115 GaN功率IC。图2显示了RP-PC104主板,标示了Navitas NV6115的位置。vPQEETC-电子工程专辑

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图2vPQEETC-电子工程专辑
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TechInsights随后在Made in Mind Mu One 45 W充电器和Aukey PA-U50 24W USB充电器中也找到了Navitas器件。Mu One充电器与RavPower充电器的设计基本相同。两者似乎都基于Navitas参考设计。vPQEETC-电子工程专辑

Aukey PA-U50尤其令人感兴趣,因为它采用了新的Navitas NV6250集成半桥IC,TechInsights目前正在对其进行仔细研究。图3显示了RP-PC104中集成了GaN HEMT裸片的NV6115芯片。vPQEETC-电子工程专辑

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图3vPQEETC-电子工程专辑

Innergie 60 C采用了Si,而不是GaN

TechInsights最近购买了由Delta Electronics Group制造的Innergie 60C USB-C 60 W适配器,预期其应采用GaN器件。但网间传闻该设备采用了一个600 V Infineon CoolMOS超级结MOSFET,但Delta用安全涂料遮盖了标记。vPQEETC-电子工程专辑

TechInsights对Innergie 60C的拆解证实了它的确采用了600 V Infineon IPL60R185C7 CoolMOS器件并使用了安全涂料。但是,在该产品中没有找到任何GaN器件。vPQEETC-电子工程专辑

图4显示了Innergie 60C内部的其中一小块PCB。图中标示了英飞凌IPL60R185C7 600 V CoolMOS的位置,但标记被遮盖。TechInsights计划针对600 V Infineon IPL60R185C7 CoolMOS器件做一份更详细的分析。vPQEETC-电子工程专辑

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图4vPQEETC-电子工程专辑

AC adapters前景展望

奇怪的是,在上面讨论的三个AC适配器中,Innergie 60C似乎提供了最佳的整体系统性能(见表1)。vPQEETC-电子工程专辑

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表1vPQEETC-电子工程专辑
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移动充电器性能的衡量标准之一是功率密度,即每立方英寸体积产生的瓦数。Innergie 60C明显是这一指标的赢家,其功率密度最高,为17.4 W/in3。而较早出现的Avogy Zolt则体积最大且功率密度最低。vPQEETC-电子工程专辑

Innergie 60C的制造商Delta是一家AC适配器的成熟制造商,其声称每年可以生产8000万个笔记本电脑适配器。因此Innergie 60C的设计极有可能是经过高度优化的。GaN基器件需要进一步优化才能有效地与硅基超级结MOSFET技术竞争。vPQEETC-电子工程专辑
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通过进一步对几大主要OEM的几款商用充电器进行研究,包括Google Pixel 3、华为Mate 200 Pro和诺基亚9 PureView快速充电器,发现它们均采用了硅基超级结MOSFET技术。显然,硅技术继续主导着这个市场空间。vPQEETC-电子工程专辑

由于SiC技术成本相对较高,因此不太可能在AC适配器市场取得大范围应用。相反,该技术更适合高压应用,目前它已成功取代了电动和混合动力汽车市场中的硅IGBT技术。vPQEETC-电子工程专辑

TechInsights还发现GaN AC适配器在功率密度方面还没有超越高质量的超级结AC适配器。但无论如何,目前已知的GaN技术优势以及业界对GaN解决方案开发兴趣将最终导致GaN在AC适配器市场中取得成功。我们期望在高效率、小尺寸、高功率的AC适配器中更多地见到GaN的身影。vPQEETC-电子工程专辑

目前在GaN HEMT功率晶体管市场已经有许多参与者,包括相对较新的初创企业和大型成熟企业。Si和SiC技术似乎已有独立的市场利基,我们期待看到创新持续增长且不断发展,GaN也能成为适配器领域有力的竞争者。vPQEETC-电子工程专辑

本文为《电子工程专辑》10月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅vPQEETC-电子工程专辑

责编:Yvonne GengvPQEETC-电子工程专辑

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