【導(dǎo)讀】根據(jù) TechInsights 針對(duì)三個(gè)主要產(chǎn)品分析，有效的大功率、緊湊型 AC 適配器可采用碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)和硅超接合面這三種材料來(lái)設(shè)計(jì)制造，哪種 AC 適配器性能最好？
根據(jù) TechInsights 針對(duì)三個(gè)主要產(chǎn)品分析，有效的大功率、緊湊型 AC 適配器可采用碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)和硅超接合面這三種材料來(lái)設(shè)計(jì)制造，哪種 AC 適配器性能最好？
AC 適配器的存在不斷提醒著，我們鐘愛(ài)的移動(dòng)設(shè)備并不像想象的那樣具有移動(dòng)性。每個(gè)移動(dòng)設(shè)備都需要定期重新連接 AC 適配器，為其鋰離子電池充電。
雖然需求保持不變，但充電技術(shù)的背后卻在不斷發(fā)生變化。雖然硅一直是該領(lǐng)域的成熟技術(shù)，但制造商們現(xiàn)在正在考慮采用碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的效率。
最初，大多數(shù) AC 適配器基本上是線性電源，它將變壓器與橋式整流器，以及電容濾波器組合在一起，將 AC 主電壓轉(zhuǎn)換為平滑的低壓 DC 電流以便適合為電池充電。這些適配器僅限于特定的 AC 電壓輸入，以產(chǎn)生特定的 DC 電壓輸出，通常不能在國(guó)際上通用。
它們又笨重又累贅，每個(gè)需要 DC 電源的設(shè)備通常都需要一個(gè)不同的適配器。而且，基于線性變壓器的充電技術(shù)效率低下，因?yàn)槎嘤嗟墓β蕰?huì)以熱量的形式耗散，即使在無(wú)負(fù)載電流的情況下也會(huì)耗散功率。
自 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)逐步取代了基于線性變壓器的充電技術(shù)。各種各樣的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出現(xiàn)，但基本上，它們都基于相同的原理：AC 電壓被整流為高 DC 電壓用以驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路，這種開(kāi)關(guān)電路包含一個(gè)高頻工作的變壓器，并以所期望的低電壓輸出 DC 電流。
SMPS 的最大好處是它們適用于各種 AC 輸入電壓和頻率，因此得以生產(chǎn)「國(guó)際通用」的適配器。此外，SMPS 還可以透過(guò)配置產(chǎn)生各種 DC 輸出，利用改變高壓開(kāi)關(guān)電路的開(kāi) - 關(guān)時(shí)間比例即可實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。
相對(duì)較新的 USB-C 充電標(biāo)準(zhǔn)旨在提供高達(dá) 100W(比如電壓為 20V、電流為 5A)的可變充電功率，從而可以使用單個(gè) AC 適配器為各種設(shè)備充電。此外，USB-C 線纜是雙向的，即可以使用相同的數(shù)據(jù)線透過(guò)顯示器為筆記本電腦充電或利用筆記本電腦為手機(jī)充電，設(shè)備一旦連接，充電功率和電壓即可動(dòng)態(tài)配置。
用于消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用的 SMPS 通常需要額定電壓為 600V 的場(chǎng)效晶體管(FET)。該 FET 用來(lái)驅(qū)動(dòng) SMPS 中變壓器的高壓高頻開(kāi)關(guān)。
合適的 FET 可以采用寬能隙(WBG)GaN、SiC 或硅制造。硅基超接合面(SJ)MOSFET 技術(shù)目前在移動(dòng)設(shè)備 AC 適配器市場(chǎng)仍占主導(dǎo)地位，但 GaN 和 SiC 組件將提供更高的效率和更小的外形尺寸。
目前提出的 GaN 組件是在 GaN-on-Si 基板上形成的橫向高電子移動(dòng)率晶體晶體管(HEMT)。寬能隙市場(chǎng)目前有多家 AC 適配器新創(chuàng)公司，但截至目前還沒(méi)有一家主要 OEM 采用這種技術(shù)。接下來(lái)，本文將比較這三種關(guān)鍵組件。
Avogy Zolt 充電器采用 SiC
2016 年，TechInsights 曾研究 Avogy 的 Zolt 筆記本電腦充電器，型號(hào) ZM070LTPX01-G。盡管 Avogy 聲稱(chēng)是 GaN 組件供貨商，但 TechInsights 卻發(fā)現(xiàn) Zolt 中采用了一個(gè) SiC 功率 FET，而且可能由 Cree 制造，包裝卻印上了 Avogy 的標(biāo)記。
TechInsights 在 PntPower.com 的同事隨后指出，Avogy 采用 SiC 組件的原因之一是當(dāng)時(shí) SiC 可用并有效。圖 1 展示了 Zolt 筆記本電腦充電器主板，并標(biāo)示了 AV150-00028 SiC 組件的位置。
圖 1 Zolt 筆記本電腦充電器主板。
Avogy 現(xiàn)在已不再是一家獨(dú)立公司，但 Avogy Zolt 仍能透過(guò)第三方零售商購(gòu)買(mǎi)。TechInsights 追蹤了 Zolt 產(chǎn)品的 14 項(xiàng)設(shè)計(jì)，涉及多家公司，其中包括英飛凌(Infineon)、Maxim、Microchip 和德州儀器(TI)等。
采用 GaN 的 RAVPower RP-PC104
自 2016 年以來(lái)，GaN 商用市場(chǎng)取得了長(zhǎng)足發(fā)展。現(xiàn)在有越來(lái)越多的供貨商提供基于 GaN 的 AC 適配器，包括 RAVPower、Anker、FINsix、Made in Mind(Mu One)等。
現(xiàn)在有許多供貨商提供 GaN FET 組件，從 GaN Systems 和 Navitas 等小型新創(chuàng)公司到英飛凌和 Panasonic 等大型企業(yè)。最近，TechInsights 發(fā)布了對(duì) RAVPower RP-PC104 45 W USB-C 充電器的一些拆解結(jié)果，該充電器宣稱(chēng)基于 GaN 技術(shù)。
我們發(fā)現(xiàn) RP-PC104 采用了兩顆 Navitas NV6115 GaN 功率 IC。圖 2 顯示 RP-PC104 主板，標(biāo)示了 Navitas NV6115 的位置。
圖 2 RP-PC104 主板。
TechInsights 隨后在 Made in Mind Mu One 45W 充電器和 Aukey PA-U50 24W USB 充電器中也找到了 Navitas 組件。Mu One 充電器與 RavPower 充電器的設(shè)計(jì)基本相同，兩者似乎都基于 Navitas 參考設(shè)計(jì)。
Aukey PA-U50 尤其令人感興趣，因?yàn)樗捎昧诵碌?Navitas NV6250 整合半橋 IC。TechInsights 目前正在對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)研究，圖 3 顯示了 RP-PC104 中整合 GaN HEMT 裸晶的 NV6115 芯片。
圖 3 NV6115 芯片。
Innergie 60C 采用了硅
TechInsights 最近購(gòu)買(mǎi)了由 Delta Electronics Group 制造的 Innergie 60C USB-C 60W 適配器，預(yù)期其應(yīng)采用 GaN 組件。網(wǎng)絡(luò)傳聞該設(shè)備采用了一個(gè) 600V 英飛凌 CoolMOS 超接合面 MOSFET，但 Delta 用安全涂料遮蓋了標(biāo)記。
TechInsights 對(duì) Innergie 60C 的拆解證實(shí)了它的確采用了 600V 英飛凌 IPL60R185C7 CoolMOS 組件并使用了安全涂料。但是，在該產(chǎn)品中沒(méi)有找到任何 GaN 組件。
圖 4 顯示 Innergie 60C 內(nèi)部的其中一小塊 PCB。圖中標(biāo)示了英飛凌 IPL60R185C7 600V CoolMOS 的位置，但標(biāo)記被遮蓋。TechInsights 計(jì)劃針對(duì) 600V 英飛凌 IPL60R185C7 CoolMOS 組件做一份更詳細(xì)的分析。
圖 4 Innergie 60C 內(nèi)部一塊 PCB。
AC 適配器前景展望
奇怪的是，在以上討論的三款 AC 適配器中，Innergie 60C 似乎提供了最佳的整體系統(tǒng)性能(表 1)。
表 1 三款適配器比較。
行動(dòng)充電器性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一是功率密度，即每立方英吋體積產(chǎn)生的瓦數(shù)。Innergie 60C 明顯是這一指標(biāo)的贏家，其功率密度最高，為 17.4W/in3；而較早出現(xiàn)的 Avogy Zolt 則體積最大且功率密度最低。
Innergie 60C 的制造商 Delta 是一家 AC 適配器的成熟制造商，其聲稱(chēng)每年可以生產(chǎn) 8,000 萬(wàn)個(gè)筆記本電腦適配器。因此 Innergie 60C 的設(shè)計(jì)極有可能是經(jīng)過(guò)高度優(yōu)化，GaN 組件需要進(jìn)一步優(yōu)化才能有效地與硅基超接合面 MOSFET 技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。
透過(guò)進(jìn)一步對(duì)幾大主要 OEM 商用充電器進(jìn)行研究，包括 Google Pixel 3、華為 Mate 200 Pro 和諾基亞 9 PureView 快速充電器，發(fā)現(xiàn)它們均采用了硅基超接合面 MOSFET 技術(shù)。顯然，硅技術(shù)繼續(xù)主導(dǎo)著這個(gè)市場(chǎng)。
由于 SiC 技術(shù)成本相對(duì)較高，因此不太可能在 AC 適配器市場(chǎng)取得大范圍應(yīng)用。相反，該技術(shù)更適合高壓應(yīng)用，目前它已成功取代了電動(dòng)和混合動(dòng)力車(chē)市場(chǎng)中的硅 IGBT 技術(shù)。
TechInsights 還發(fā)現(xiàn) GaN AC 適配器在功率密度方面還沒(méi)有超越高質(zhì)量的超接合面 AC 適配器。但無(wú)論如何，目前已知的 GaN 技術(shù)優(yōu)勢(shì)，以及業(yè)界對(duì) GaN 解決方案開(kāi)發(fā)興趣將最終導(dǎo)致 GaN 在 AC 適配器市場(chǎng)中取得成功，期望在高效率、小尺寸、高功率的 AC 適配器中更多地見(jiàn)到 GaN 的身影。
目前在 GaN HEMT 功率晶體管市場(chǎng)已經(jīng)有許多參與者，包括相對(duì)較新的新創(chuàng)企業(yè)和大型成熟企業(yè)。硅和 SiC 技術(shù)似乎已有獨(dú)立的市場(chǎng)利基，期待看到創(chuàng)新持續(xù)增長(zhǎng)且不斷發(fā)展，GaN 也能成為適配器領(lǐng)域有力的競(jìng)爭(zhēng)者。
