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    提功率,缩体积:氮化镓是如何帮充电器瘦身的

      [  中关村在线 原创  ]   作者:余航   |  责编:周博林

    近期智能手机厂商频频在充电器领域亮剑,随机附带充电器功率没个大几十瓦都不好意思出门打招呼。充电器的发展思路是提升充电功率,减小充电器体积。如果要达成这样目标的话必须要用上“氮化镓(GaN)”材料。那么氮化镓作为一种新型材料是如何上位并改变我们生活的呢?今天我们不妨了解一下。

    01 氮化镓登场前传:Type-C普及与快充协议的规范

    氮化镓在消费电子领域主要解决充电器体积大、充电慢两个问题。给充电器加大充电功率、减小体积是一件很繁琐的事情,因为充电过程中有很多变量都要比上述两点重要的多。不过随着快充的发展成熟,很多问题被一一解决后,“充电器体积大、充电慢”的问题就变得重要了。其中,快充技术成熟的标志是Type-C接口的普及和USB PD快充成为行业标准。

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    Type-C接口正反都能插的属性方便了用户使用的同时还能在接口端留出更多的冗余针脚,这就为产品设计层面统一多产品线充电协议做好了基础;USB PD快充的出现则是从协议上规范统一标准,目前笔记本、手机、游戏掌机等都可以使用USB PD快充协议,还有更多的外围产品线正在融入USB PD协议生态。

    这意味着做出一款支持主流充电协议的高质量充电器拥有很强的市场潜力。因此,充电器也开始了轰轰烈烈的改造。那么,为什么只有氮化镓站到了充电器行业的C位呢?这得从充电器结构说起。

    02 没有新材料,充电器“减肥”困难

    体积不大的充电器内部集成了众多零部件。对于这种和电力相关的设备来说,安全性是第一要义,盲目缩小体积会影响安全性,还会影响充电效率,因此给充电器“减肥”需要注意充电过程的安全性与散热。

    充电器中最为重要的元器件是MOSFET,这个元器件决定了充电器最大输入/输出功率、功率转化率核心指标的发挥,这也是充电器发热的核心区域。充电器瘦身成功与否取决于MOSFET的体积。

    提功率,缩体积:氮化镓是如何帮充电器瘦身的(审核) 第二代半导体材料砷化镓

    在氮化镓材料应用之前,MOSFET的材料经历了两轮基础材料的迭代,分别是第一代的镓和硅,第二代的砷化镓和磷化铟。两代基础材料性能渐渐跟不上时代需要,当前用这两种材料需要预留足够的散热空间,如果在这种材料做出的充电器上加码充电功率,则无法兼顾发热与充电器体积。

    提功率,缩体积:氮化镓是如何帮充电器瘦身的(审核) 采用“Cool MOSFET”结构的充电器

    为此,上游厂商在第二代半导体材料的基础上改进出“Cool MOSFET”元器件,这种改进结构相较于之前的两代产品更适合放在充电器内,输入/输出功率与转化率都有提升。

    采用“Cool MOSFET”的代表性产品是小米Type-C充电器65W疾速闪充版、联想第一代口红充电器。不过这类改良结构的充电器在加码更大充电功率的时候也很难平衡充电器的体积与散热。因此,性能更好的材料才能成为充电器的“减肥药”。这时候,氮化镓闪亮登场。

    03 “该我上场表演了”,氮化镓登上充电器舞台

    第三代半导体氮化镓是由氮和镓组成的一种人造化合物,氮化镓热稳定性好、电子迁移速度更快、热导率更高的特性使得它作为MOSFET的材料更为合适。

    氮化镓带来的改变是复杂的,用一个更具象化的形容会更方便大家理解:第二代半导体材料只能一天工作8小时还要摸鱼;“Cool MOSFET”结构能兢兢业业工作8小时还能时不时加班;氮化镓材料就很“奋斗X”,每天来得早走的晚,不叫苦不叫累。试问,对于你来说,能会不喜欢氮化镓材料带来的改变吗?

    提功率,缩体积:氮化镓是如何帮充电器瘦身的(审核) ANKER氮化镓充电器

    氮化镓在消费电子领域商用的时间并不长,自2018年消费类氮化镓充电器问世以来,氮化镓充电器的发展如雨后春笋,一批批外观设计新颖、功率更大的氮化镓充电器可供消费者选择。另外,氮化镓充电器也在逐渐成为手机附带充电器的标配,可以预见的是氮化镓充电器在未来会有更大的发挥空间。

    04 氮化镓充电器虽好,尚有问题需要改进

    氮化镓充电器在消费使用端带来很多提升,如一枚高品质的氮化镓充电器可以覆盖多品类设备的充电需求;或者是利用氮化镓材料可以将充电器核心元器件做的更小的特点,将充电器做到极度便携(如OPPO饼干充电器)。氮化镓虽好,但还有两个问题需要解决,一个是充电时的发热问题,另一个是充电啸叫问题。

    提功率,缩体积:氮化镓是如何帮充电器瘦身的(审核) OPPO氮化镓充电器保留充足散热、隔音设计

    氮化镓充电器工作发热问题

    氮化镓材料的热稳定性保证了氮化镓充电器在高温下也能安全稳定运行,但很多第三方配件厂商会出于降低产品成本、进一步压缩充电器体积的考量,牺牲充电器的散热设计,所以一些氮化镓充电器设计之初会阉割散热设计。

    目前主流的散热处理方案是为充电器预留散热空间和填充散热材料。

    氮化镓充电器工作啸叫问题

    啸叫指的是充电器工作时有声音。啸叫不会影响充电器正常工作,主要影响用户使用体验。目前主流的啸叫处理方案是填充隔音材料,氮化镓充电器会不会啸叫的最终因素取决于充电器成本。从部分氮化镓充电器用户的反馈来看,一些氮化镓充电器不重视工作时的啸叫问题。

    目前这两个问题都能得到稳定解决,不过这将会成为氮化镓充电器发展的隐忧。

    总结:氮化镓改变了充电器的产品形态

    综上所述不难发现,氮化镓充电器的问世是快充技术跃进后的实体产物:Type-C接口打通了快充的物理设计瓶颈,USB PD快充协议的出现为多产品线的快充统一奠定了协议基础,而氮化镓充电器满足的是人们对于充电器便携的要求。可以说氮化镓充电器的诞生是顺应时代潮流的产物。

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    氮化镓作为第三代半导体材料,不仅达到了对充电器“减肥”的目的,还保障了充电过程的稳定与安全,当前氮化镓充电器最高功率达到了惊人的125W,随着氮化镓材料对充电器的进一步改造,我们相信用不了多久,氮化镓充电器就会革掉游戏本‘砖头充电器’的命。可以说,氮化镓改变了人们对充电器产品的形态认知。

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