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氮化镓: 为什么手机充电器的体积能越来越小?

最近两年,手机的功能创新枯竭。比如,在我看来,曲面屏就是一个在创新竞争下的畸形产物。不知道是什么原因,厂商和媒体都开始以屏占比来判断新手机设计是不是牛。于是,为了尽量减少正面非屏幕的区域,厂商宁可让用户们在使用手机时频繁地误操作,也要把屏幕边缘卷起来。

与此同时,其他功能也展开了白热化的竞争,充电功率就是其一。从最初的 20 瓦增加到 65 瓦,再到 120 瓦。如今,据说最大的已经超过 200 瓦。

如果你注意这些快充功能的话,会发现它们配的充电器都有个格外突出的名字——氮化镓。这些充电器也就一个手机对折起来那么大。

但如果你还记得几年前的笔记本电源的话,那个东西有多大呢?120 瓦的电源,已经是典型的游戏本了,那个电源的体积比两个手机摞起来还大。同样是 100 多瓦,怎么体积差出去 3、4 倍?

当然,能缩小体积,也说明里面有技术亮点。这期《科技参考》,我就来说说氮化镓。

 

充电器体积缩减发生在哪一步?

回到刚刚那个问题,同样是 120 瓦,为什么笔记本电源那么大,手机充电器却那么小呢?要想搞明白这个问题,我们首先要了解,电是怎么从交流 220 V 变成直流 20 V 的。

交流电电压的波动曲线是和正弦波一样的波浪线。交流电进入充电器后,会先经过一个叫做“整流桥”的电路。这个电路其实就是 4 个二极管按一定顺序连接的。咱们不用管其中具体的技术细节。只要知道,这样连接之后,电压呈正弦波浪线的电流从一端输入进来,就能在另一端输出一个电压也呈现波浪线的电流。

那你说,前面的正弦波浪线和后面那个波浪线有什么区别呢?

区别就在于,正弦波浪是有正负的,但经过整流桥后,凡是负的部位,电压的数值不变,但符号全部改为正。你可以想象一下,这个输出后的波浪线就更像桌布边缘的蕾丝边。换句话说,整流桥最大的作用就是把方向相反的电流全都顺成同一个方向。

紧接着,这些波浪起伏很大的电流会被灌入一个大电容,在电容的另一边,流出波动很小的电流。这个作用很像是缓冲池。

你可以想象用滋水枪一下下往池子里滋水的画面。滋水枪的水流是很不稳定的,但池子里存有一定的水之后,如果我们在缓冲池底部开一个孔,把水导出。这个时候,从小孔里流出来的水相比滋水枪的水流来说,就要平稳太多了。这就是大电容的作用。通过整流桥和大电容后,电流就变成了一个 310 V 的起伏比较平稳的高压直流电了。

而充电器缩减体积的工作,都是在这一步之后做的。

 

充电器体积大小是被什么制约的?

接下来就是变压器了。

最传统的变压器是左侧绕一些线圈,右侧绕一些线圈,但左右两侧的线圈匝数不一样。

假如左边是 310 V 的电压,绕了 310 圈,那么每一圈就代表 1 V。如果这时,在右侧绕 20 圈呢,那右侧自然就会感应出 20 V 电压。这个 20 V 电压,就是我们的笔记本要输出的电压了。

但实际上,如果我们把直流高压直接输给变压器,其实右侧只能感应出第一时刻一瞬间的 20 V,再往后,输出值就是零了。因为根据法拉第定律,变压器里的磁铁只对电压的变化做响应,直流电的电压没有变化,所以右侧也就相应的没有输出。

为了能有持续的输出,还需要给变压器再接一个开关。这个开关能让 310 V 的电压一会儿有、一会儿没有,于是右边才能持续地感应出 20 V 的电压。

在这个过程里,能量通过变压器里自带的磁场,隔空从高压一侧跑到低压一侧,以电流的方式流出。

而这个变压器和与之相配的频繁开合的开关,就和充电器的体积密切相关了。

要说清楚这个问题,我们可以换个角度理解“电压转换”这项任务。

刚才说了,每次开关闭合时,都允许一部分电流流进变压器的磁场中,然后跨越空间再输到右侧。但每次开关维持闭合的时间要多久呢?这实际上相当于问,我每开闭一次,打算放多少能量进来做处理呢?

你发现没有,在这个过程里,能量好像是以包裹的方式被打包的,再一个个地放到电路中处理的。所以,每次放进来的能量是 1000 焦耳还是 0.01 焦耳,需要用到的变压器体积是差别巨大的。

因为变压器存在一个叫做“饱和”的状态。也就是说,变压器内部的磁场就像一个能量仓库,能量太多就会被装满。一个正常工作的电路应该避免变压器饱和,否则就会有一部分能量没能通过变压器,于是就会变成热量,积累在变压器上。

所以,当我们打算一次处理 1000 焦耳能量时,变压器就要做的体积大一些,或者呢,是换一些磁通密度高的材料,让那个内建磁场能容纳 1000 焦耳的能量。当然,体积增大和充电器的设计是背道而驰的,于是只能想办法找磁通密度高的特殊材料。

不过,除此之外,还有第三个方法,那就是每次少放一点能量进来,不要一次进 1000 焦耳那么多嘛,一次进 0.01 焦耳行不行?

看上去这种方案最好,因为我们可以大幅度缩小一次放进来的能量,从而减小变压器的体积。如果一次放进 0.000001 焦耳,那岂不是能把变压器的体积缩到芝麻粒那么小?

其实不那么简单。因为还存在一个更加硬性的需求,那就是变压器右边的输出功率,比如 120 瓦或者 140 瓦。左边我们为了减少体积,倒是能每次处理 0.000001 焦耳了,右边也确实每次就输出 0.000001 焦耳。

但如果一秒钟只进行一次操作,于是充电器的功率就是 0.000001 瓦。这么小功率肯定没人会买的,现在人家要买 120 瓦的。怎么办?

有方法。不是嫌每次放进来的能量包太小嘛,那咱们每秒处理 120 万个能量包不就可以了嘛!哎,这就是秘籍。

这也是充电器或者电源经常被称作“开关电源”的原因。别看我之前都叫它笔记本电源、手机充电器,实际上它们都是开关电源。

开关电源负责把电压从 A 变到 B,为了缩小体积,里面有快速开闭的半导体开关。半导体开关负责以特别快的速度,把能量切成一小份一小份的,再一个个放进电路中加以处理。

这个速度有多快呢?在以传统硅芯片材料为基础的 MOSFET 中,速度最快是每秒 15 万次。我们笔记本充电器里的开关电路,速度虽然没有每秒 15 万次那么高,但每秒接近 10 万次的频率应该是有的。

但这已经不能继续提高了。因为刚刚我们只是举了一个理想中的例子,实际工作中,元器件都存在各种不理想的寄生参数,这都会影响开关电路的频率。

比如,有一个参数就是描述开关上的寄生电容的。电容是什么?电容就是可以容纳电流的小罐子。前面说过,它的作用就像缓冲池。我们希望把电压波动猛烈的电流输入电容里,输出一个相对平缓、没有波动的电流。这就是电容起到的正面作用。

但电容也有负面作用。负面作用就是,在那些本应该保留猛烈波动特性的场合,却因为存在寄生电容,导致电压只能平缓地爬升和下降。

这个本应该表现得干净利落脆的场合,对应刚刚说的开关电路里的哪部分呢?就是那个每秒钟能开闭十几万次的高速开关。

硅基 MOSFET 的开闭上限之所以是每秒 15 万次,就是因为如果再快的话,电压还没有爬升到目标电压的时候,关闭的时间就又到了。

关闭的时候,也希望电压能马上变为零,但正因为存在寄生电容,在关闭的时候电压也不能马上回零。于是,开关电源的频率不能比 15 万次每秒再高太多了。

 

氮化镓材料的优势

而用氮化镓材料做的开关管,因为材料本身的特性,天然就拥有更低的寄生电容。最高的开关频率可以做到 200 万次/秒。所以,一次放进电路里处理的能量,可以降低为原来的十几分之一到几十分之一,于是那个变压器就可以做得非常小。

而且,今天已经可以使用一种平板变压器,代替原来磁芯做的那种、左右分别有绕组形式的变压器了。所以,今天的氮化镓充电器不但小,而且还可以很薄。

以上,是变压器高压一侧的情况。

到了变压器低压一侧,也就是输出侧,也可以缩小体积。

你想,既然高压那一侧放进来的能量包很小,那低压那一侧用来滤波的电容也一样可以缩小很多。早就不是那种大立柱似的电容了,而是陶瓷贴片电容,大小和绿豆差不多,一颗不够就多贴几颗。

 

氮化镓材料的发展趋势

有人可能想问,既然已经可以把充电器做小了,那为什么笔记本充电器仍然这么大?

其实,这并不是技术问题。纯粹是因为笔记本本身就很大,那个充电器实在没有必要做成一管口红的大小。

而且,由于氮化镓是第三代半导体材料,今天加工它的工艺还远没有第一代硅芯片那么成熟。比如说,硅基芯片的晶圆,已经很成熟的尺寸是 12 英寸;而氮化镓,还把 6 英寸晶圆的生产当做工艺突破的目标呢。

此外,氮化镓的成本也比硅做的 MOSFET 开关管贵很多。在小功率的环境里,用上 2 颗做开关,普通消费者还是买得起的。但如果是那种上千瓦的电源,起码在消费级电子市场还不多见。

今后的大概趋势是,使用氮化镓材料制造的半导体器件,在未来五年里,会首先在移动设备里替代传统的功率芯片,比如充电器、5G 设备,之后才会慢慢取代大功率设备里的功率芯片,比如新能源汽车里输出动力的那些芯片,还有高铁输出动力的那些高压大功率芯片。而它将在十年内维持爆发式增长,已经是半导体行业内的共识了。

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