GaNFast充电系统

Navitas 的下一代氮化镓 (GaN) 电源 IC 可将充电速度提高 3 倍，并在移动快速充电器中实现主流采用，满足 1B 美元以上的市场需求。

Navitas 的 GaNFast 集成氮化镓 (GaN) 解决方案通过提供 5 倍的功率，使充电系统（例如那些允许您为智能手机充电的系统）的运行速度比使用传统硅 (Si) 组件的充电系统快 100 倍密度，节能 40%，生产成本降低 20%。

功率 GaN 最初于 2018 年中后期通过 Anker、Aukey 和 RAVpower 的 24-W 至 65-W 充电器进入售后市场。2019 年，我们看到三星、Verizon、Oppo 和华硕/英伟达等原始设备制造商推出了额外的配件和从 27 W 到 300 W 的“盒装”采用，出货量达数百万。

GaN 是一种新的生产半导体，有望在未来几年在许多应用中取代硅，而电池充电是第一个展示这种采用的大批量市场。如今，大多数用于电子产品的充电器都使用硅晶体管，多年来，这些一直是效率和尺寸的最佳解决方案。然而，硅正逐渐达到其物理极限，尤其是在功率密度方面，这反过来又限制了配备硅功率元件的设备的紧凑程度。在非常高的电压、温度和开关频率下，GaN 的性能优于硅，因此可以显着提高能源效率。

图1：2007-2019年智能手机屏幕尺寸（cm 2）和电池容量（mAh）

对具有更大屏幕和 5G 功能的更强大的智能手机、平板电脑和笔记本电脑的持续需求为下一代交流适配器创造了一个市场，可以非常快速地为越来越大的锂离子电池充电（图 1）。

随着硅功率设备被替换为 GaN 替代品，我们不得不携带巨大的电砖和多条电缆来运行我们的设备的日子可能会结束。我们等待为智能手机和笔记本电脑充电的时间可能会大大减少，而令人惊讶的热充电器可能已成为过去。随着大量充电器和 27 W 到 300 W 的 GaN 适配器的大量生产，为从手机到无人机的所有设备供电，移动充电器市场将发生巨大变化。

Navitas 首席执行官 Gene Sheridan 表示：“人们希望为他们的移动设备提供更快的充电速度，这意味着需要更多的电力，但他们不想要硅基适配器的大尺寸和重量。” “手机的充电功率已从几年前的仅 5 W 增加到今天的高端高端手机的 50 W 或更高，并且声称新平台的功率高达 120 W。笔记本电脑的功率已经达到 50 W 到 60 W，配备大而笨重的充电器，而 GaN 是提供高功率快速充电的大好机会，但外形尺寸要小得多、重量轻得多。”

经过 1990 年代分立 GaN 和 2000 年代集成 GaN 的多年学术研究，GaNFast 功率集成电路现在是一种经过行业验证、具有商业吸引力的下一代解决方案，用于设计更小、更轻、更快的充电器和电源适配器。

“GaN 在 600 V 左右非常出色，在芯片面积、电路效率和开关频率方面明显优于硅，因此在这些壁式充电器中使用 GaN 替代硅是一个非常好的最佳选择，”Sheridan 说。“软开关拓扑与我们的 GaN IC 的结合显着提高了效率。以移动充电器为例，采用硅和传统的反激式拓扑结构，效率仅为 87% 至 89%。采用软开关拓扑结构中的 GaN，我们的目标是 93% 到 95%。”

单桥和半桥 GaNFast 功率 IC 是 650-V GaN-on-Si FET，具有驱动和逻辑的单片集成，采用四方扁平无引线 (QFN) 封装。GaNFast 技术允许高达 10 MHz 的开关频率，从而可以使用更小、更轻的无源元件。场效应晶体管 (FET)、驱动器和逻辑的单片集成创建了一个易于使用的组成组件，使设计人员能够创建超快速、超紧凑和超高效的集成动力系统。

集成是最小化延迟和消除限制硅和早期分立 GaN 电路开关速度的寄生电感的关键。凭借低至 5 ns 的传播延迟和高达 200 V/ns 的稳健 dV/dt，传统的 65-kHz 至 100-kHz 转换器设计可以加速到兆赫兹甚至更高的速度。这些集成电路扩展了传统拓扑结构的功能，例如反激式、半桥式、谐振式和其他在兆赫频率级的拓扑结构，从而允许在商业上引入革命性项目（图 2）。

图 2：GaNFast 的集成（图片：Navitas）

GaNFast 技术也将很快进入世界上最快的笔记本电脑：Asus ProArt StudioBook One。ProArt One 是 Nvidia RTX Studio 系统，是第一款配备 Nvidia Quadro RTX 6000 GPU 的笔记本电脑，基于 Nvidia 的 ACE 参考架构。与 Nvidia 合作开发的新 300 W AC/DC 设计利用 Navitas 的高速 GaNFast 电源 IC 电源转换技术来创建功能强大但重量轻且小巧的便携式充电器。

“创意人员和其他专业人士需要具有极高移动性的最高计算性能，”Sheridan 说。“作为 Nvidia ACE 参考设计的一部分，Navitas 的专职技术人员与 Nvidia 工程设计团队一起应对这一挑战，以不到一半的尺寸和重量提供 300 W 笔记本电脑适配器。”

图 3：采用 GaNFast 技术的电池充电器内部

GaN 解决方案可实现更高效、更紧凑的紧凑型适配器设计。该材料提供了世界上最快的晶体管，这对于超高效的电源转换至关重要。新技术将电力电子设备的尺寸减小了 50% 以上，从而可以为移动设备创建真正通用的电池充电器。

使用 GaN 半导体，您可以创建不仅效率更高的充电器，而且还可以在比传统充电器更小的占地面积内提供相同的功率。这些电源保持凉爽 - 耗散少得多，它们需要的组件更少且更便宜（图 3）。

审核编辑：刘清