未来之星

功率体积闹矛盾

电脑（包括笔记本）和手机，应该是与我们生活最密不可分的数码设备，而它们在追求更快更强的道路上，也给我们提出了不少难题。比如，供电和充电。

电脑硬件的规格越高，就需要配备更高功率的电源适配器，500W80Plus电源已经成为了游戏型电脑的底线，而武装GTX1660Ti或更高级别独显的游戏本，也需要搭配150W起步的适配器。在轻薄本领域，虽然很早就有产品使用USBType-C接口充电（PD协议），但标配的适配器体积也有着与手掌相仿的体积（图1），笔记本自身虽然便携，但要再算上适配器，肩膀和背包就该提出抗议了。

在智能手机领域，随着微信、抖音、王者荣耀等APP的流行，哪怕配备4000mAh电池的手机也难逃一天N充的宿命。在电池技术没有突破之前，改善续航的唯一出路就是提升充电效率，于是我们便看到了高通QC、联发科PE、华为SuperCharge和OPPOVOOC等快充技术的流行，而充电功率也从18W一路提升到了65W，未来甚至有望突破120W大关（图2），最快13分钟就能让内置4000mAh电池的手机“满血复活”

然而，智能手机也碰到了和轻薄本相同的困局，支持大功率的充电器往往也都是“大块头”，整天揣着它外出并不现实。那么，这个矛盾就无法解决吗？

有利益才有动力

无论是笔记本还是智能手机，专门给适配器/ 充电器“减肥”是一件非常费力不讨好的事情，毕竟对绝大多数普通消费者而言，有着免费（随机附赠）的不用，为了小一圈的充电器花钱很不经济。

然而，随着USB Type-C接口和USB PD快充成為行业标准之后，新款手机、笔记本（主要是中高端轻薄本）和Switch游戏掌机等数码设备居然用上了同一套充电协议（图3），这意味着研发一款USB PD充电器将拥有无数的“潜在客户”，只要产品够好绝对不愁卖！于是，小小的充电器也开始了跨界之旅——笔记本适配器号称兼容手机，而手机的充电器则主打能为笔记本供电，出差时一个（PD充电器）在手，全家（随身携带的所有数码设备）不愁。

问题来了，什么样的充电器才够好呢？没错，就是大功率+小身材，也就是当充电器解决矛盾之后的样子。

瘦身的“拖油瓶”

充电器虽然不大，但它内部却集成了包括初级开关管、次级同步整流管、PWM控制器、同步整流控制器、变压器、电解电容、整流桥、共模电感、慢熔保险丝、快充协议控制芯片和各种MOSFET在内的数十种零部件（图4）。

学过初中物理的同学应该都知道，在充电功率相同时，充电器的体积越大散热效果必然越好。如果盲目地在缩小充电器体积的同时提高功率，发热量将难以控制，极端情况下甚至会引起火灾等隐患。

在充电器的内部构成中，MOSFET（金氧半场效晶体管，简称MOS或功率器件）至关重要（图5），它影响着该产品所支持的最大输入/输出功率和功率转换耗损率，也是高负载运行时发热量最大的零部件之一。一款充电器能否在支持更高功率的同时加以瘦身，最有效的解决方案就是提升MOSFET的性能并降低它的发热量。可惜，当前用于生产MOSFET的第一代（Ge、Si）和第二代半导体材料（GaAs、InP）在单位体积的功率转换上都遇到了天花板，想进一步提升功率就必须留出足够的散热空间，也就是牺牲体积。

为此，英飞凌曾推出过“CoolMOSFET”（Coolmos），这是一种改进型结构的MOSFET，具有更低的导通电阻、更快的开关速度，可以实现更高的功率转换效率。还记得联想在2018年推出的ThinkPlus口红电源吗？这款超迷你的65W充电器只有成年人的两根手指大小（图6），重量不足120g，堪称充电器领域的“小网红”。而它之所以能实现如此迷你的身材，就是内置了型号为IPL60R365P7的英飞凌Cool MOSFET芯片（图7）。

可惜，哪怕是Cool MOSFET也依旧存在天花板，在65W功率下ThinkPlus的体型就算是极限了。令人欣喜的是，现在市面上出现了一种主打GaN（氮化镓）的迷你充电器，同样是6 5W的充电功率，体型却比ThinkPlus小了一大圈（图8），几乎和传统手机用的18W快充充电器大小差不多。

那么，这种超迷你的大功率充电器又是怎样炼成的呢？

氮化镓的神助攻

目前主流的MOSFET都是基于Si硅制造的，既然这种半导体材料在高功率下已经不堪重负，那更换另外一种半导体材料不就结了？于是，一种名为“GaN”（氮化镓）的元素出现了，它是由氮和镓组成的一种人造化合物（图9），与碳化硅（SiC）并称为第三代半导体材料的双雄。

GaN氮化镓材料稳定又坚硬，它的熔点约为1700℃，做成GaN功率器件（GaNFET）后可以在200℃以上的高温下工作。氮化镓比硅材料的禁带宽度大3倍、击穿场强高10倍、饱和电子迁移速度快3倍、热导率高2倍，这些性能提升带来的优势就是它比硅更适合做大功率高频的功率器件。

假如电源插孔内的交流电是一望无际的湖水，充电器内的功率器件就像勺子，需要不断地将插孔内的湖水捞出，转换为直流电后再传输给数码设备供电。此时，用MOSFET做的勺子每秒钟只能捞10下，再快就有烧毁罢工的风险。而GaNFET做的勺子每秒则可以捞至少30下，效率高还不怕累。

在这种低损耗和高开关频率特性的帮助下，GaN氮化镓能以更低的发热量去承受更大的功率。因此，功率相同的充电器，采用GaNFET功率器件的产品往往可以做得更轻巧迷你（图10）。

需要注意的是，GaN充电器并不是什么新鲜事物，早在2018年底，ANKER就在美国纽约发布了型号为“PowerPortAtomPD1”的GaN充电器，在年初CES2020大展上亮相的GaN充电器数量更是接近70款，覆盖18W～100W等多个充电功率档位。

还记得2019年10月上市的OPPORenoAce吗？这款手机支持高达65W的SuperVOOC2.0闪充，其标配的充电器就使用了氮化镓，OPPO也因此成为了全球首家在充电器中导入GaNFET的手机厂商（图11）。可惜，OPPORenoAce的GaN充电器并不支持PD协议，只有搭配支持自家SuperVOOC2.0技术的手机才能输出65W，较窄的适用范围注定它很难被大众所熟知。

2020年2月，在小米10系列手机的发布会上，雷军高调发布了小米GaN充電器，也因此成为了第一家将氮化镓USB PD快充单独零售的品牌手机企业。和OPPO的GaN充电器相比，小米GaN充电器不仅支持小米10系列3 0W/50W的私有协议，还支持PD协议，兼容市面上主流的智能手机、Type-C接口的笔记本电脑及其他电子设备。再结合其超迷你的身材和创下行业新低的149元售价（图12），引起了最广泛用户对氮化镓的高度关注，有消息称华为、苹果和三星等厂商也计划推出GaN充电器。

目前可以商业化量产GaNFET功率器件的厂商主要包括美国的Power Integrations（PI）和纳微半导体（Navitas），以及国内的英诺赛科（Innoscience）。ANKER、倍思和小米等品牌旗下GaN充电器采用的多是来自纳微半导体的GaNFast功率IC，而OPPO的GaN充电器选用的则是PI旗下的PowiGaN系列氮化镓IC。

氮化镓不仅限于充电器

如果你以为GaN氮化镓只能帮助充电器瘦身那就太小看它了。氮化镓最早可以追溯到1970年代，它最早用于制造LED，如今更是已成为LED的主流技术。

本文在引言中曾提到过PC电源，鑫谷在2019年5月底发布的“昆仑”电源概念版就首次引入了氮化镓功率器件，使得它完全有能力在真实全模状态下冲击80Plus钛金效率，甚至有望冲击95%的超高转换效率（图13）。经过测试发现，用氮化镓材料代替传统的MOSFET后，电源的驱动损耗、开关损耗会更小，死区也缩小（缩短优化开关转换时的死区时间）。而更高的电子迁移率使得反向恢复时间极短，也就不存在反向损耗。

实际上，GaN氮化镓的下游应用非常丰富，在无线通信、卫星通信、雷达预警的微波射频领域和包括消费电子、智能电网、新能源汽车在内的电力电子领域也都可以看到它的身影。特别是随着5G时代的来临，基于氮化镓的功率芯片正在5G基站市场站稳脚跟。在5G毫米波应用上，氮化镓的高功率密度特性也能在实现相同覆盖条件及用户追踪功能下，减少收发通道数及整体方案的尺寸，从而融入更轻薄的手机中。

小结

抛开GaN氮化镓在其他领域的贡献不谈，单凭它对充电器功率的提高和体型缩小的改进来看，就是一项非常值得期待和普及的技术。未来，一个只有1/4烟盒大小的充电器就能具备超过60W的输出功率，兼容所有的数码设备，想想都美妙。同时，我们也希望氮化镓能早日用于游戏本的电源适配器，帮助120W起步的“砖头”瘦身，终结游戏本越来越轻薄而适配器却依然笨重的历史。