Быстрые зарядные устройства с технологией GaN

Интеграция растворов нитрида галлия (GaN) позволит вам получить следующие меньшие корпуса с большей мощностью. OPPO объявила о полном внедрении интегральных схем питания Navitas Semiconductor на основе GaN (GaNFast) для производства сверхтонких быстрых зарядных устройств мощностью 50 Вт.

Новые зарядные устройства имеют размеры 82 × 39 × 10,5 мм и весят всего 60 граммов. Мини-зарядное устройство обеспечивает 50 Вт через новаторский протокол быстрой зарядки OPPO SuperVOOC или спецификацию программируемого источника питания USB-C (PPS). Это гибкое устройство, способное заряжать смартфоны, планшеты и небольшие ноутбуки.

«Использование устройств из нитрида галлия для управления сверхвысокочастотными энергосистемами было мечтой каждого в течение многих лет, и эта технология приведет к революции в области источников питания», - сказал Цзялян (Джефф) Чжан, главный научный сотрудник OPPO по технологиям зарядки.

«В этом году мы представляем новые поколения технологии GaN, продолжая интегрировать больше функций, - сказал Джин Шеридан, генеральный директор Navitas Semiconductor. «Это не просто силовой транзистор; мы объединяем аналоговую схему, логику и питание на одном кристалле. По мере того, как мы увеличиваем интеграцию, это фактически позволяет нам переключаться еще быстрее и получать более низкие затраты и, конечно же, упрощать и уменьшать размер конструкции. GaN действительно изменил индустрию мобильных зарядных устройств благодаря нашему высокому уровню интеграции. У нас есть более 40 различных продуктов, которые были анонсированы с использованием нашей технологии. Компания OPPO сделала самое удивительное объявление - быстрое зарядное устройство мощностью 50 Вт и объемом всего 36 см3, что примерно на 70-80% меньше, чем их предыдущее поколение, - выдающееся техническое достижение ».

GaN против Si

Проблема в кремнии (Si). Вы ограничены примерно 100 кГц, и если вы попытаетесь использовать его сильнее, вы получите тепло, сложность и неуправляемые расходы. Кроме того, возникают проблемы с низкочастотными магнитами, которые недостаточно быстры и становятся слишком медленными, когда вы пытаетесь двигаться с такой скоростью.

Многие люди используют топологии «жесткого переключения», которые приводят к большим коммутационным потерям, а при увеличении частоты эффективность падает из-за увеличения паразитной индуктивности. Кроме того, старые топологии и устаревшие ИС управления не могут работать достаточно быстро. Итак, первый шаг - решить проблему переключения - с помощью технологии GaN.

Основные характеристики Si-устройств по сравнению с 4H SiC и GaN, т. Е. Критическое электрическое поле и подвижность носителей (Источник: Navitas)

Исторически первым реализованным устройством на основе GaN был «режим истощения» (d-режим), устройство, работающее нормально, но это означает, что требуется дополнительный переключатель Si, подключенный последовательно с переключателем GaN.

Ранний «режим улучшения» (e-mode), обычно выключенный, устройства имел открытый и уязвимый затвор, поэтому контроль напряжения означал сложные и дорогие схемы управления, чтобы избежать неустойчивого поведения.

Решение GaNFast от Navitas состоит из GaN-переключателя - полевого транзистора (FET) - с монолитно интегрированными аналоговыми схемами управления и цифровыми логическими схемами, интегрированными в тот же кристалл, что и силовое устройство на основе GaN.

Устройства Navitas GaN переключились на частоту до 40 МГц для академических исследований. Для коммерческих платформ полностью интегрированные ИС питания GaNFast рассчитаны на 2 МГц - в два раза быстрее, чем доступные контроллеры. Высокоскоростная работа позволяет значительно сократить размер и стоимость преобразования энергии для систем быстрой зарядки.

Использование GaN и интегрированных решений управления приводит к чрезвычайно низкой задержке распространения. «Поскольку мы интегрируем привод в микросхему, мы имеем нулевую индуктивность в цепи отключения затвор-исток», - сказал Шеридан. «Мы можем очень хорошо управлять этим устройством и держать его выключенным в условиях максимальной скорости нарастания напряжения [dV / dt] до 200 В / нс».

Когда дизайнер пытается уменьшить размер зарядных устройств, тепловая плотность - или просто «нагрев» - может стать проблемой. «Новая серия NV612x обеспечивает снижение температуры на 10–15 ° C с помощью усовершенствованной охлаждающей подставки для улучшения теплового интерфейса с печатной платой и обеспечения прямого электрического соединения с заземлением системы», - сказал Шеридан.

Это решение помогает дизайнерам превосходить все термические характеристики и разрешения агентств. Он используется не только для источников питания для смартфонов, но и для ноутбуков, телевизоров и т. Д.

Несколько недель назад Lenovo и Navitas Semiconductor анонсировали самое быстрое и мощное зарядное устройство для киберспорта Legion. Быстрые зарядные устройства, использующие питание GaNFast, были запущены в массовое производство и поставляются «в коробке» с каждым телефоном Legion.

«Технология GaN следующего поколения позволяет зарядному устройству с двумя выходами USB-C на 90 Вт обеспечивать на 40% больше энергии и заряжать на 25% быстрее, чем предыдущее лучшее в своем классе оборудование», - сказал Шеридан. «Скорость зарядного устройства Legion достойна вычислительной мощности электронного спортивного телефона».

GaN для новых блоков питания

GaN работает до 20 раз быстрее, чем старый медленный кремний, и обеспечивает в 3 раза больше энергии, в результате чего продукт, который заряжается до 3 раз быстрее, но имеет только половину размера и веса. ИС питания GaNFast от Navitas объединяют силовые, аналоговые и логические схемы GaN на одном кристалле на уровне полупроводниковой пластины.

«Традиционно для большинства транзисторов GaN, как управлять ими и защищать их, все еще остается проблемой», - сказал Шеридан. «Это удивительно быстрые и эффективные транзисторы, но если вы их замедляете или увеличиваете стоимость и сложность из-за необходимости управлять и защищать чувствительный затвор, это действительно убивает ценностное предложение. Надежность GaN доказана, и я думаю, что EPC, Transphorm и Navitas преуспевают в этой части. Эти компании показывают миру, как эти проблемы решаются. Я вижу, что интегрированные функции привода и защиты способствуют повышению производительности, повышению частоты, эффективности и снижению стоимости, особенно в случае питания GaN ».

Низкие частоты переключения современной электроники означают громоздкие, тяжелые и дорогие магниты, конденсаторы и элементы накопления энергии. Если эти частоты можно увеличить, устройства могут стать небольшими, легкими и недорогими. Однако сегодняшняя электроника на основе Si не допускает этого и застряла на нескольких десятках килогерц.

Для 50-Вт Mini SuperVOOC решения GaNFast направили топологию источника питания в сторону «импульсного» обратного хода с активным фиксатором (ACF), который может выдерживать широкий диапазон входного напряжения при сохранении постоянного выходного сигнала для зарядки аккумулятора телефона. Это позволяет разработчику удалить из системы электролитический «конденсатор большой емкости», который может занимать 40% от общего объема.

Кроме того, традиционный трансформатор с «проволочной обмоткой» на 50 кГц и высотой более 20 мм может быть заменен новым высокоскоростным, легким, планарным трансформатором на 800 кГц с низким форм-фактором профиля 8 мм.

Следующие рынки, за которыми нужно следить, - это беспроводная зарядка и центры обработки данных. Дата-центры по-прежнему переполнены данными, и потребление энергии пропорционально этому. Таким образом, здесь решающее значение имеет правильное управление питанием.

«Старые кремниевые чипы находятся в центрах обработки данных, что создает проблемы с тепловым и энергопотреблением», - сказал Шеридан. «Поэтому мы думаем, что центры обработки данных станут следующим крупным рынком для GaN - в том числе и для электромобилей, где спрос на электроэнергию также высок. Мы очень рады этим возможностям. Мы постоянно сотрудничаем в области электронной мобильности и центров обработки данных, чтобы повысить энергоэффективность примерно на 30%, что означает, что на 30% больше энергии передается процессорам или батареям, а не теряется в виде тепла ».

Решения GaN позволяют разрабатывать более эффективные и компактные конструкции адаптеров. Они предоставляют самые быстрые в мире транзисторы, которые необходимы для сверхэффективного преобразования энергии.