终于用上黑科技的半导体材料 充电器要越做越小了

[硬核买手]氮化镓（GaN）拥有极高的稳定性，它的熔点约为1700℃。作为目前是最优秀的半导体材料之一，GaN用作整流管能降低开关损耗和驱动损耗，提升开关频率，附带地降低废热的产生。这些特性让氮化镓应用在电源上有很好的发挥，降低元器件的体积同时能提高效率。

很多人都会抱怨：笔记本、手机等设备充电器不通用的问题，导致出差、 旅游 都要带上大量的充电器，不少笔记本更是要带上板砖似的充电电源。

难道真的没有小巧一点的、通用性强一点的充电器么？其实还是因为穷的，使用黑 科技 材料氮化镓得ANKER GaN充电器虽然比普通得PD充电器价格高了一倍，但是体积却小了40%。

为什么能有这么大的改变呢？氮化镓又是一个怎么样的黑 科技 呢？

黑 科技 半导体氮化镓的来历和优势/劣势

其实早在2000年左右，就有研究人员投入到射频氮化镓技术的研究，最开始氮化镓器件成本高、产量不高，氮化镓器件主要应用于军事和航天领域，雷达和电子战系统。如今在点对点军用通信无线电中就有使用氮化镓工艺的放大器，未来手机是否也会获得军事领域的技术下放虽然还不好说。但氮化镓器件确实开始走向消费领域了，如今市场上已经有了不少已量产的氮化镓充电器。

氮化镓被业界称为第三代半导体材料，被应用到不同行业的产品上，应用范围包括半导体照明、激光器、射频领域等，应用在电源类产品上可以在超小的体积上实现大功率输出，改变行业设计制造方案、改变消费者使用习惯。

氮化镓的熔点和饱和蒸气压相当高，因此在自然界无法以单晶体的形式形成，目前常用的制备方法为薄膜法和溶胶凝胶法。

目前经过测试发现，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。

5G是今年最热门的话题，而氮化镓恰好在5G技术上能发挥巨大作用，这种材料非常适合提供毫米波领域所需的高频率和宽带宽，加上低内阻低发热量、适合在高温环境下工作的特点，GaN材料将应用于各种被动散热的户外电子设备以及 汽车 上。

不过虽然氮化镓的优点多，物理性能优异，但它不能应用在比较高的电压环境下。

而且成本也会更高一些，与现今的硅器件相比，氮化镓的导通电阻要低3个数量级，击穿电场是硅器件的10倍，带来的就是更高的转换效率和工作频率，并降低元器件体积。另外氮化镓可以在严酷的工作环境下保持正常的性能，不过目前氮化镓的成本还是太高了。

所以目前氮化镓比较成熟的应用是在小型的充电器上。这就是我们今天要说到的 ”ANKERPowerPort Atom PD1“GaN充电器。

目前 市面上的各种快充协议

PD快充协议有大一统的趋势

从2017年开始，智能设备的性能开始大幅度攀升，相对应的设备对电池的容量有了更高的要求。但大电池充电就成为了一个难题，所以现在有了众多的快充标准。除了大家一般使用的QC快充、还有各家智能手机厂商开发的各种快充私协议，前不久vivo更是推出了120W快充。

不过目前最新的QC4.0也仅仅只支持28W的功率，于是追求充电更快的路途上，手机厂商也不断推出并升级自家的快充协议，如一加的WARP闪充（30W）、华为的Super Change（40W）、VOOC闪充（50W），vivo Super FlashCharge（120W）。

但是没有哪一家能打通全平台，实现一个充电器就能对所有的设备都能快速充电。市面上的快充协议“百家争鸣，各自为政”，即使有兼容也不能达到最理想的充电速率。

“协议兼容性目前的确是整个快充行业发展的最大技术壁垒，如果能够打通快充协议不兼容的问题，整个行业的发展能够加速前行。”

好在，基于USB type C接口的PD协议有大一统电子数码充电协议的趋势，支持笔记本电脑、平板电脑、手机、 游戏 机等设备快速充电，目前最新的PD 3.0标准最大功率可以达到100W。

ANKER PowerPort Atom PD 1 GaN充电器支持DCP协议，支持5V/3A、9V/3A、15V/2A、20V/1.5A四个USB PD输出档位最高输出30W，PD快充版本为3.0。

ANKER GaN充电器：小体积实现更高功率

ANKER PowerPort Atom PD 1 GaN充电器在设计上无论是在包装还是产品本身，都是充满了十足的“ANKER”风格。蓝白的搭配简约 时尚 很有辨识度，第一眼看见就能准确知道是ANKER产品。充电器的外形体积整体圆润十分小巧，手感也十分不错。

使用氮化镓GaN功率器件让ANKER PowerPort Atom PD 1在体积上十分有优势，与市面上多款热门PD充电器进行对比之，无论是重量还是体积ANKER PowerPort Atom PD 1 GaN充电器都位列前茅。

性能上，ANKER PowerPort Atom PD 1 GaN充电器支持5V、9V、15V、20V PD输出，可以满足大部分产品设备，它的输出最高可达30W功率，在我们实际的兼容性测试中，无论是充手机、还是笔记本，它都能胜任，性能着实不错。

鹅暖石丰满造型

ANKER PowerPort Atom PD 1 ANKER GaN充电器沿用了家族饱满丰润的设计，正面镜面与侧面哑光细节互为补充简约，犹如一块软润的鹅暖石。

一个蓝色舌片的USB-C输出口上印刷这“PD”字样标识，PD目前通用性最强也是未来数年的发展方向的USB PD快速充电标准。

小体积大功率

（ 从左至右依次是 “ANKER GaN充电器 30W” “苹果原装18W快充” “联想ThinkPlus 65W快充” “苹果笔记本充电器”）

GaN场效应管小体积低内阻高性能的优点在充电器上体现的淋漓尽致，而且还完美避免了不耐高压的缺陷。

ANKER PowerPort Atom PD 1GaN充电器实现30W的功率，其体积要比苹果的18W快充都小一圈，与苹果手机自带的5W小充电器相差不大，携带出去旅行还是相当方便的。

30W功率只有iPad刚刚好

30W的功率见仁见智吧，因为如果需要给笔记本充电的话至少需要使用65W的供电，而手机目前最多也只能18W的PD快充。目前使用30W PD供电的也就只有iPad Pro了，也就是说你要是有个iPad Pro的话，买这款充电器可能比较实用。

此前测试iPad Pro最大支持32~35W PD快充。在我们使用ANKER GaN充电器给iPad Pro充电时，根据POWER·Z的数据显示，可以达到26~27W的充电功率。整个充电过程发热量比普通的充电器要低一些。

在兼容性上，支持iPhone X/XS/XS MAX/XR、华为P10/P20/P20 Pro/Mate 9/Mate10、xiaomi 8/9、魅族PRO 5、三星S8以上手机的PD快充。

非PD快充的设备大多数也能获得标准的10W充电功率。

笔记本和平板上，只要是支持PD协议的笔记本都能获得接近30W的充电功率，例如MacBook、小米笔记本Air、华为MateBook等，平板电脑的支持上iPad Pro因为支持PD充电也可以获得27W左右的供电支持。不过需要注意即使是支持PD充电协议的笔记本，因为功耗的原因对电源功率输入要求比较高，一般需要60W以上的充电器才能正常使用+充电，使用ANKER GaN充电器给笔记本充电话可能会遭遇笔记本CPU降频性能减弱、实用笔记本时虽然插电但无法给笔记本电池充电的情况出现。

总结

ANKER PowerPort Atom PD 1 GaN氮化镓充电器最开始发布的时候可谓吸引了全球眼球，造型也比较小巧可爱，在小体积的情况下实现了更高功率的输出。如果你有支持30W充电的设备比如iPad Pro，就更好了。

但如果你想使用ANKER PowerPort Atom PD 1 GaN充电器给笔记本充电话可能会遭遇笔记本CPU降频性能减弱、实用笔记本时虽然插电但无法给笔记本电池充电的情况出现。所以我目前使用的是ThinkPlus 65W充电器，出差的话iPhone支持18W PD快充，笔记本需要65W充电，移动电源支持45W PD快充，ThinkPlus电源是我目前比较好的解决方案。

而且从价格上来说，ANKER PowerPort Atom PD 1 GaN充电器官方定价188元，价格上来说还是比较高的。建议观望，不过更高高功率的60W氮化镓充电器却没有了体积上的优势，而且价格高，所以如果你不差钱想尝鲜，那也可以上上手体验一下。

优点: 1、同体积下实现更高的充电功率，体积小易携带。

2、充电时发热量小，热损耗小转化率更高。

3、30W PD快充，支持新款iPhone、华为P20/P10/Mate 10/Mate9、xiaomi 9/8、iPad Pro、三星S系列等设备的PD充电，支持iPad air 2.4A充电。

缺点:

1、价格贵，188元的价格，一个65W ThinkPlus的优惠价也不过150元，体积也是ANKER GaN氮化镓充电器两倍不到。

2、非PD设备最高只支持10W左右的功率充电。

3、30W功率不上不下，笔记本一般需要65W充电功率，30W功率过低可能出现笔记本CPU降频或者笔记本在使用时无法给电池进行充电。但充手机的话也只能支持18W，这体积和18W PD充电头相比的话优势又不明显了。 详细参数：

充电器名称：PowerPort Atom PD 1

型号：A2017

输入：100-240V~1.2A 50~60Hz

输出：5V/3A、9V/3A、15V/2A、20V/1.5A

该充电器通过CCC认证。

以前是带铁芯的变压器，然后再整流、滤波，所以，那东西不轻。

现在改开关电源了，轻，效率高（如果做得好），有把220V交流电转换为5V直流电给手机充电的功能。

传统变压器和目前手机充电器的对比：

外部对比

内部对比

1、 传统变压器就两个线圈，通过铁心感应辅助，完成电压转换。

2、但是这里面电源的频率影响很大，频率越高，需要的铁心截面的线圈匝数就越少。换言之，提高频率，可以大幅减少变压器材料重量和体积，这就是高频变压器。

3、目前的手机充电器，是开关电源。即充电器内部加入了整流的半导体元件，将我们的民用220V电源变为高频电源，然后再用高频变压器转换为5V左右的电压就可以了。高频变压器，整流电路，加上其他体积依然很小。

手机充电器电路图

目前技术还在发展，比如目前流行的氮化镓充电器，长这样：

氮化镓充电器

     其实这是应用了最新的半导体材料氮化镓，使得充电器的体积和重量进一步缩小。目前缺点是价格还挺高，几百块吧。

知识拓展

     开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

     现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。手机充电器是直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源（粗电），如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压（精电）。直流开关电源的核心是DC/DC转换器。

开关电源内部结构

开关电源大致由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。

1、主电路

冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。

输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。

整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。

逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。

输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。

2、控制电路

一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。

3、检测电路

提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。

4、辅助电源

实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。

总结

目前手机充电器是开关电源，包括电脑与笔记本电脑。

普通变压器是线性。

区别在于，开关电源在变压前把市电转为超高频，这样变压效率很高。所以变压器可以很小。而线性变压器要在标准频率变压，效率就没那么高。

不过开关变压器也有缺点，波纹大。所以对供电要求高的普遍使用线性变压器。比如音响，一个电源隔离变压器就几公斤。

手机经历了由功能机到智能机的进化时代，手机技术不断革新，智能机技术也越来越先进，用户体验也越来越好。

但不止是手机，手机的充电器的技术也经历了进化， 每一代手机充电器用到的技术也是不同，有着本质的区别。

我们先来看看以前的老式充电器和现在的充电器对比图。

功能机老式充电器，充电头连着数据线的，不可分开，充电器体积大，笨重，而且充电功率很小，一般都是5V,充电电流300mA-500mA,也就是3W左右，因为功能机的电池也就几百毫安，这个充电功率足够了。

现在的充电器，充电器和数据线是分开的，因为数据线不仅负责充当充电的桥梁，还负责用来传输数据的功能，体积比老式充电器的小了很多，重量更轻，但充满功率反而更大，现在的快充充电器功能到40W以上，现在国产安卓旗舰机充电功率甚至达到120W，15分钟就可以将一部4500毫安时电池的手机充满电。下面来聊聊这怎么做到的。

其实充电器本质是一个变压器，其内部有绕线圈的变压器。

通过变压器原副边线圈绕组的匝数比来实现交流电压的变换，然后通过桥式整流，稳压滤波，甚至通过稳压芯片来实现恒定的电压输出 。经过一个整流、稳压电路，变成低压稳定的直流电。这种传统的充电器有一个缺点，要增大充电器的功率，就要加大线圈绕组的匝数，所以要求输出功率越大，对变压器的个头就得越大。

新式充电器应运而生。

这种充电器是在老式充电器基础下进行了化化，220V交流电先转化为 高压直流， 增加一个MOS开关的元件，这个元件不断的闭合使 高压直流 变高频交流电 ， 简单的说，运用这个技术，使得同样的充电功率，变器机体积变小了。通过提高变压器上交流电的频率可以使得变压器在满足功率要求的情况下保持较小的体积，这个特点非常符合现代电子设备的需求。因此现在的手机充电器中仍然是有变压器的，不同的是高频变压器，相同的是输出端和220V电仍然是通过电磁隔离的

于是进入新式电器的时代。依托半导体技术的进步，这种充电器也不断的提升工艺，充电器也做得越来越好。进入智能机时代， 最经典的是，苹果的手机的5V1A的充电器，是开关充电器，苹果费尽心思把各个元件体积做得最小，可谓是当时的行业标杆，手机充电器体积最小，没有之一。

但是智能手机做得也越来越大，现在动则4000毫安以上的大电池，显然5A1A,5V2A的充电器已不满足充电的需求。而改变交流电频率的MOS开关闭合元件所用的材料硅，能满足的频率只能在100KHZ以下。

在同样的频率下，要提升充电功率， 最直接的办法是加大变压器的体积，进一步提长MOS开关的频率，于是用氮化嫁取代硅作为MOS材料，频率大幅提升数倍。

P=IU

功率 = 电流 * 电压

新技术下充电接口不再充是标准的micro接口，新的接口改为type C接口，电器输出电压做到9V，12V等，提高输出电压和电流便能提交输出功率，最快的充电器功率做到了120W，15分钟就能把一台4000多毫安的手机电池充满电。

而OPPO发布的一款50W充电器，这款充电器加入了脉冲技术，无电解电容电容，输入电流整流后为100Hz脉动的直流。因为电容占了很大的体积。 这款充电器做得体积很小，簿如饼干。支持SuperVOOC、QC、PD、PPS等主流快充协议 。这也是一种技术的进步。

相比有钱充电器，无线充电更先进，优点更多，利用电磁感应的原理，如今无线充电也能以极快的速度进行充电。无线充电的最大优点之一是它是无线的，因此您不必处理所有那些纠缠的数据线。它的所有连接都是封闭的，因此受到保护，因此电击的风险要小得多。

相信未来，人类 科技 进步，手机变得越来越智能，体验越来越好，快充技术也做得越来越好，生活更便捷。

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