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氮化镓充电器如何设计 看完这12款拆解秒懂

时间:2020-03-04 10:45|来源:充电头|编辑:三哥|点击:

“GaN”中文名“氮化镓”,是一种新型半导体材料,它具有禁带宽度大、热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性,在早期广泛运用于新能源汽车、轨道交通、智能电网、半导体照明、新一代移动通信,被誉为第三代半导体材料。随着技术突破成本得到控制,目前氮化镓还被广泛运用到消费类电子等领域,充电器便是其中一项。

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采用了GaN氮化镓元件的充电器最直观的感受就是体积小、重量轻,在发热量、效率转换上相比普通充电器也有更大的优势,大大的提升了我们的使用体验

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2019年,做为3C配件市场发展风向标的香港电子展,我们就已经察觉到氮化镓快充发展的迅猛势头:2019年4月份春节展,8款氮化镓充电器新品参展;而到了10月份秋季展,氮化镓充电器新品多达56款,不到一年增长近7倍。

同时,在前不久刚刚结束的美国CES展会上,充电头网了解到,参展的氮化镓充电器数量也已经多达66款,涵盖了18W、30W、65W、100W等多个功率段,以及全新品类超级扩展坞,全面满足手机、平板、笔电的充电需求。

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截止目前,充电头网已经累计拆解了12款采用氮化镓功率器件的USB PD充电器,它们分别是ANKER 30W、ANKER 60W、ANKER 30W超极充、AUKEY 27W、爱否65W、小米65W、OPPO 65W、RAVPower 30W、RAVPower 45W、RAVPower 61W、ROxANNE 65W、SlimQ 65W。上面这张表格统计了这些氮化镓充电器用到的主要元器件。

1、ANKER 30W GaN氮化镓充电器A2017拆解

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功率器件:PI SC1933C内置GaN功率器件主控芯片:PI SC1933C协议芯片:Weltred伟诠WT6615F编辑点评:ANKER PowerPort Atom PD 1充电器给小编的第一感觉就是小而且轻巧,与苹果30W PD充电器对比直接小一圈。性能方面,支持5V/3A、9V/3A、15V/2A、20V/1.5A四个USB PD输出档位,能满足手机、平板的功率需求,笔记本也能兼顾到。

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通过拆解发现,充电器内部元器件穿插布置,采用两块平行电路板之间加一块小板的结构,使得空间利用率极高,并且巧妙的设计了塑料绝缘支架,为充电器提供绝缘和支撑,使充电器更加稳固。采用PI InnoGaN一体化芯片SC1933C,大大简化充电器设计,同时得益于其高频高效的特性,所以30W的输出功率也无需辅助散热,进一步节约了空间。输出采用同步整流,减低温度提高效率,电路板内层大面积敷铜,帮助导热和散热。产品的用料讲究、设计巧妙、做工精细,满满黑科技。

2、拆解报告:ANKER 60W氮化镓双USB-C口充电器(A2029)

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功率器件:PI SC1933C内置GaN功率器件主控芯片:PI SC1933C协议芯片:赛普拉斯CYPD4225编辑点评:ANKER PowerPort Atom PD 2 GaN充电器的设计很“ANKER”,无论是产品外包装上还是产品本身外观,都拥有浓浓的“ANKER”风格。钢琴烤漆的外壳,触感温润,纯白机身、银灰文字、蓝色接口的搭配,很有辨识度。

接口方面,ANKER PowerPort Atom PD 2 GaN充电器与市面上其他60W PD充电器最大不同的是配置了2个USB-C输出接口,并且均支持PD快充协议。单口输出情况下支持5V/3A、9V/3A、15V/3A、20V/3A PD四个档位,双口同时输出情况下,接口均支持5V/3A、9V/3A、15V/2A、20V/1.5A四个档位,可以满足大部分设备的充电需求。

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功率器件:PI SC1933C内置GaN功率器件主控芯片:PI SC1933C协议芯片:赛普拉斯CYPD4225编辑点评:ANKER PowerPort Atom PD 2 GaN充电器的设计很“ANKER”,无论是产品外包装上还是产品本身外观,都拥有浓浓的“ANKER”风格。钢琴烤漆的外壳,触感温润,纯白机身、银灰文字、蓝色接口的搭配,很有辨识度。

接口方面,ANKER PowerPort Atom PD 2 GaN充电器与市面上其他60W PD充电器最大不同的是配置了2个USB-C输出接口,并且均支持PD快充协议。单口输出情况下支持5V/3A、9V/3A、15V/3A、20V/3A PD四个档位,双口同时输出情况下,接口均支持5V/3A、9V/3A、15V/2A、20V/1.5A四个档位,可以满足大部分设备的充电需求。

3、内置氮化镓:Anker PowerCore Fusion PD超级充拆解

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功率器件:Navitas纳微NV6115+Navitas纳微NV6117 GaNFast功率芯片主控芯片:TI德州仪器UCC28780协议芯片:Cypress赛普拉斯 CYPD3175编辑点评:Anker PowerCore Fusion PD超级充采用目前行业应用广泛的1A1C接口配置,既兼顾了老款机型的需求,又解决USB PD快充设备的充电。在充电器模式下,USB-C口30W的输出功率以及最高20V的电压输出,可满足iPad Pro、New MacBook等小功率PD设备的用电。USB-A口融入ANKER自家的POWER IQ充电技术,对非PD快充的iPhone、iPad等设备也能以较快速度充电。在移动电源模式下,5000mAh的容量也可为大部分手机续命一次。就实用性而言,这款产品做得很不错。

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用料方面,充电头网拆解发现,产品内部采用了行业前沿的GaN氮化镓技术,内置Navitas纳微半导体的NV6115和NV6117氮化镓芯片,高度集成的驱动电路和单晶片的设计使得氮化镓芯片的开关频率大幅度提高,最终实现产品的小型化和高效率。

为了达到双输出的目的,充电器内置了两颗南芯内置MOS的升降压芯片,组成两路同步升降压电路,这也进一步减小了电路板占板面积。此外,Anker PowerCore Fusion PD超级充采用了LG 21700电芯,单颗容量就能达到5000mAh,优化体积的同时,保证足够的续航时间。

4、内置GaNFast:AUKEY 27W USB PD充电器PA-Y19深度拆解

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功率器件:Navitas纳微NV6252 GaNFast功率芯片主控芯片:TI德州仪器UCC28780协议芯片:Weltred伟诠WT6615F编辑点评:通过对比AUKEY 27W USB PD GaNFast充电器与常规USB PD充电器的体积,我们能够很明显的感受到前者在体积方面的优势,其功率密度相当于常规充电器的2倍。AUKEY 27W USB PD GaNFast充电器不仅体积小巧,而且还采用了可折叠的插脚设计,便于携带;并拥有完整的USB PD输出电压,无论是充手机还是充笔记本电脑,均可兼容。

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充电头网拆解发现,这款充电器导入了采用了纳微半导体的GaNFast技术,并内置全球首款集成驱动的半桥氮化镓功率芯片NV6252。芯片的高集成省略了外围的驱动电路,高效率则免去了散热片,这也是充电器能够做的如此小巧的主要原因。此外,这款充电器内部采用多块PCB板,设计巧妙,元器件布局紧凑,最大限度的利用了充电器内部的空间,进一步优化了充电器的体积。

5、拆解报告:爱否开物1A2C 65W PD氮化镓充电器

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功率器件:Navitas纳微NV6115 GaNFast功率芯片主控芯片:安森美NCP1342协议芯片:ismartware智融SW3516H编辑点评:爱否开物这款65W氮化镓快充充电器体积小巧而性能强悍。单口65W的输出能力可以满足大部分轻薄型笔记本电脑的的充电需求,即使在双口输出或者是三口输出时,其中一个USB-C口仍能保持45W的输出功率,满足多设备同时充电的应用场景。值得一提的是,这款充电器支持的协议非常广泛,除了常见的USB PD、PPS、QC、FCP、AFC、PE之外,还可支持SCP快充,满足华为手机22.5W低压快充。

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充电头网通过拆解了解到,这款充电器内部结构紧凑,设计巧妙,空间利用率极高,功率密度高。初级部分采用了两颗永铭和三颗中元铝电解电容、安森美初级主控芯片以及纳微半导体的氮化镓功率芯片;次级部分为二次降压方案,采用MPS MP6908搭配威兆VSP008N10MS完成同步整流,然后通过两颗智融SW3516H实现两路独立输出,实现功率智能分配、多协议识别、端口独立输出等功能。

6、拆解报告:小米GaN充电器Type-C 65W

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功率器件:Navitas纳微NV6115+Navitas纳微NV6117 GaNFast功率芯片主控芯片:TI德州仪器UCC28780协议芯片:Cypress赛普拉斯 CYPD3174编辑点评:小米这款65W充电器在使用了氮化镓功率器件后,突破技术壁垒,将体积浓缩到30.8 x 30.8×56.3mm内,不仅产品功率密度高达1.21W/cm?,同时也将充电器的重量控制在82g,真正做到了大功率、小体积、轻巧便携。

经过充电头网实测,小米65W氮化镓充电器拥有5V/3A、9V/3A、12V/3A、15V/3A、20V/3.25A五个固定电压档,以及支持5-11V3A / 5-20V3.2A两个PPS电压档;同时还可兼容APPLE2.4A、三星AFC、华为FCP、QC3.0等,支持协议广泛,可兼容市面上大部分手机、笔记本电脑以及移动电源等产品。

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充电头网通过拆解了解到,小米65W氮化镓充电器之所以能够实现功率密度的突破,主要得益于内置了纳微半导体的GaNFast氮化镓功率芯片NV6115和NV6117,搭配安森美NCP51530和TI UCC28780实现高频开关,从而让变压器的体积大幅缩减。同时这款充电器输出滤波采用的是贴片电容,让体积得到进一步压缩。兼容性方面则选用赛普拉斯的解决方案,CYPD3174性能没的说,除了常规协议之外,还可对小米10 Pro实现50W快充。

散热方面,充电器内部的功率器件及变压器部分均增加导热垫设计,整个PCBA模块外围使用铜板包裹,起到均匀散热的作用。整个产品用料扎实,做工精细,堪称充电器中的精品。

7、拆解报告:OPPO原装65W氮化镓快充充电器VCA7GACH

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功率器件:PI SC1923C内置GaN功率器件主控芯片:PI SC1923C协议芯片:瑞芯微RK725B编辑点评:OPPO这款65W原装氮化镓快充充电器由光宝科技股份有限公司代工,产品外观圆润,体型小巧。支持最大65W输出,并设有5V/2A、10V/6.5A两个档位,向下兼容SuperVOOC、VOOC等协议,适用于OPPO家族中所有快充手机的需求。

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充电头网通过拆解了解到,这款充电器内部主要采用了PI定制的PowiGaN主控芯片,具有高效、高频的特点,大大减小了充电器的体积和发热情况;协议方面依然采用瑞芯微定制的VOOC闪充芯片。充电器内部初级和次级之间有隔离设计,并加装了绝缘档板;元器件之间使用大量注胶处理,用于固定元器件和辅助导热。整个产品从用料到做工,无不透露着OPPO对产品质量的高要求。

8、拆解报告:RAVPower 30W氮化镓PD快充充电器

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功率器件:PI SC1933C内置GaN功率器件主控芯片:PI SC1933C协议芯片:Weltrend伟诠WT6636F编辑点评:RAVPower这款30W氮化镓PD快充充电器体型圆润小巧,方便携带,折叠插脚的设计进一步增加了产品的便携性。性能方面,充电器不仅支持USB PD快充协议,还兼容QC3.0、QC2.0快充和APPLE 2.4A充电协议,可适配小功率笔记本电脑和常见的手机快充。

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通过拆解发现,这款氮化镓快充充电器内置PI的高集成度PowiGaN芯片,一方面集成了PWM主控、氮化镓功率器件、同步整流控制器,简化PCB板设计难度;另一方面还通过提高功率器件的开关频率减小变压器的体积,提高功率密度。次级侧使用了恒泰柯同步整流MOS管和VBUS开关;协议芯片为伟诠WT6636F,主要器件的用料均属行业知名品牌,性能有保证。

9、RAVPower 45W GaN PD充电器RP-PC104拆解

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功率器件:Navitas纳微NV6115 GaNFast功率芯片主控芯片:TI德州仪器UCC28780协议芯片:Weltred伟诠WT6615F编辑点评:RAVPower这款充电器体积小巧,轻薄便携,支持最大45W的输出功率,并且具有5V、9V、12V、15V、20V五档USB PD输出,可支持手机、平板、笔电等数码设备快充,性能很不错。

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通过充电头网的拆解,我们发现这款充电器里面的用料也是满满的黑科技,初级侧采用了两颗纳微半导体的NV6115 GaN功率器件、TI德州仪器的UCC28780初级高频控制器,并且还用到了平板变压器,使得充电器拥有非常小的体积。次级侧采用MPS同步整流控制器和英飞凌的同步整流管,并采用了USB PD和QC4+双认证的协议芯片伟诠WT6615F。散热方面,内部PCBA模块的正反两面均分别采用了铜片散热和铝板散热,并使用导热贴辅助,保证均匀散热。

10、拆解报告:RAVPower 61W氮化镓USB PD充电器

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功率器件:PI SC1933C内置GaN功率器件主控芯片:PI SC1933C协议芯片:Weltrend伟诠WT6636F编辑点评:RAVPower这款氮化镓快充充电器给人最深的感受便是体积非常小巧,几乎只有苹果61W快充充电器体积的二分之一左右。同时通过测试,我们了解到这款充电器除了支持PD快充之外,还支持APPLE2.4A、DCP协议以及QC 2.0、QC 3.0快充协议,可适配手机等移动设备快充。

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充电头网拆解了解到,这款充电器内部电路设计非常简洁,这也得益于采用了PI PowiGaN控制芯片,集成PWM控制器、氮化镓功率MOS、次级同步整流控制器等,并且省略了常见的光耦反馈元件。次级侧采用恒泰科低压MOS同步整流,协议识别则选用了伟诠WT6636F。

除了用料讲究之外,充电器内部PCBA正反两侧均采用了导热板设计,避免充电器在长时间大功率输出时出现局部过热,提升用户使用体验。

11、拆解报告:ROxANNE 66W氮化镓USB PD双口快充充电器

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功率器件:Navitas纳微NV6115+Navitas纳微NV6117 GaNFast功率芯片主控芯片:TI德州仪器UCC28780协议芯片:精拓F75183A编辑点评:ROxANNE这款USB PD快充充电器支持最大66W功率输出,并且采用1A1C接口设计,而产品的体积却比苹果原装60W充电器还减少了46%,这完全得以于氮化镓功率器件的应用。除了具有非常明显的体积优势之外,这款充电器的USB-C还可支持USB PD、QC2.0、QC3.0、AFC等快充协议,USB-A口也能支持APPLE2.4A协议,即使在双口同时输出,USB-C口也能实现最大46W快充,满足大部分用户的充电器需求。

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充电头网通过拆解了解到,这款充电器的内部结构设计较为复杂,采用了多块PCB板组合的方式,空间利用率很高,进一步提升了产品的功率密度。在用料方面,这款产品通过采用两颗纳微半导体的NV6115和NV6117 GaNFast功率芯片,高度集成的驱动电路和单晶片的设计使得氮化镓芯片的开关频率大幅度提高,从而降低了变压器的体积、提升了产品的效率。

次级部分采用两路输出设计,USB-C接口采用精拓科技F75183A协议芯片实现PD、QC、AFC等快充协议的识别,USB-A接口为5V输出,采用德信EUP3271同步降压芯片将电压降低至5V,并通过一颗智能识别IC实现对APPLE2.4A协议的支持。

关于发热问题,一方面内置氮化镓功率芯片,效率高,发热少,另一方面通过在元器件之间注硅胶以及在PCBA模块外围包裹铜箔的方式辅助导热和散热,避免局部过热的现象。

12、拆解报告:SlimQ 65W氮化镓USB PD快充充电器SLIMQ-GaN65AC

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功率器件:Navitas纳微NV6115 GaNFast功率芯片主控芯片:ON Semi安森美NCP1342协议芯片:Hynetek慧能泰HUSB339编辑点评:SlimQ 65W氮化镓快充充电器具有小巧便携的特点,与常规45W充电器相比,体积仅为其一半。1A1C两个接口均可支持快充输出,可充笔记本电脑也可充手机。协议方面支持USB PD、QC3.0、QC2.0、AFC、FCP、Apple 2.4A等多种协议,可以一机多用,出门携带十分方便。

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充到头网拆解发现,这款产品的AC-DC部分采用纳微半导体氮化镓功率芯片、安森美PWM主控、MPS同步整流控制器以及恒泰柯同步整流MOS;USB-C接口输出采用慧能泰HUSB339协议芯片,USB-A接口输出由南芯SC8903二次降压,并采用天钰FP6601Q作为协议芯片。1A1C两个接口智能输出,实现功率智能分配。

此外,充电器内部采用全套永铭小体积电容用于初、次级滤波;同时,为了实现小体积的散热问题,充电器内部注入了大量硅胶,并在PCBA模块外围使用金属均热片包裹,避免大功率输出时局部温升过高。

充电头网总结

从充电头网的拆解来看,目前市面上已经量产商用的氮化镓方案主要来自PI和纳微半导体两家供应商。其中PI的PowiGaN方案具有高集成度、易于工厂开发的特点;纳微半导体的GaNFast方案则可以通过高频实现充电器的小型化和高效率。

行业数据显示,在以电商客户为主2019年充电器市场,氮化镓功率器件出货量约为300万-400万颗,随着手机以及笔记本电脑渗透率进一步提升,2020年将实现5-6倍增长,总体出货1500-2000万颗,2021年GaN器件的出货量有望达到5000万颗,迎来大爆发时期。

对于氮化镓快充普及浪潮的来临,各大主流电商及电源厂早已摩拳擦掌,严阵以待,纷纷推出了顺应市场的配件产品。而当各大主流手机厂商把氮化镓快充做为手机的标准配件时,整个产业链将迎来一个新的发展高峰。

面对氮化镓快充市场的爆发,你准备好了吗?

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