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，以實現超薄 50W 快速電池充電器的生產。

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 開創性的 SuperVOOC 快速充電協議或 USB-C 可編程電源 (PPS) 規范提供 50 W 的功率。它是一種靈活的設備，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，而這項技術將引發電源領域的一場革命，”OPPO 首席充電技術科學家張家良（Jeff）表示。

“我們今年將推出新一代 GaN 技術，繼續集成更多功能，”Navitas Semiconductor 首席執行官 Gene Sheridan 說。“它不僅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。我們已經發布了 40 多種使用我們的技術的不同產品。OPPO 發布了最令人驚嘆的公告——50W 快速充電器，體積僅為 36 cm 3，比上一代產品小 70% 到 80%——這是一項非凡的技術成就。”

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動它，您會得到熱量、復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損耗的“硬開關”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，舊的拓撲結構和傳統控制 IC 的運行速度也不夠快。所以第一步是解決開關問題——通過GaN技術。

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 開關與 GaN 開關串聯。

早期的“增強模式”（e-mode）常關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雜且昂貴的驅動電路以避免不穩定行為。

Navitas 的 GaNFast 解決方案包括一個 GaN 開關——一種場效應晶體管 (FET)——與單片集成的模擬驅動電路和數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 用于學術研究。對于商業平臺，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的功率轉換尺寸和成本。

Navitas IC（來源：Navitas）

使用 GaN 和集成控制解決方案可實現極低的傳播延遲。“因為我們將驅動器集成在芯片上，所以我們在柵源關斷回路中的電感為零，”Sheridan 說。“我們可以很好地控制這個設備，并在最大電壓‘轉換速率’速度 [dV/dt] 高達 200 V/ns 的條件下保持關閉。”

當設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。“新的 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接地的直接電氣連接，”Sheridan 說。

該解決方案可幫助設計人員超越所有熱規范和機構批準。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，聯想和納微半導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，并隨每部 Legion 手機“盒裝”提供。

“下一代 GaN 技術使 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。“軍團充電器的速度，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高速運行。

“傳統上，對于大多數 GaN 晶體管來說，如何驅動和保護它們仍然是一個問題，”Sheridan 說。“它們是非常快速和高效的晶體管，但如果你因為需要驅動和保護敏感門而減慢它們的速度或增加成本和復雜性，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。”

當今電子產品的低開關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，設備就可以變得更小、更輕、成本更低。然而，今天的硅基電子設備不允許這樣做，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。這允許設計人員從系統中移除電解“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 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。

下一個需要關注的市場是無線充電和數據中心。數據中心繼續充斥著數據，而電力使用與數據成正比。因此，適當的電源管理在這里至關重要。

“舊的硅芯片位于數據中心，造成了熱和功耗問題，”Sheridan 說。“因此，我們認為數據中心是 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據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。”

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

審核編輯 黃昊宇