【導讀】根據 TechInsights 針對三個主要產品分析，有效的大功率、緊湊型 AC 適配器可采用碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)和硅超接合面這三種材料來設計制造，哪種 AC 適配器性能最好？
根據 TechInsights 針對三個主要產品分析，有效的大功率、緊湊型 AC 適配器可采用碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)和硅超接合面這三種材料來設計制造，哪種 AC 適配器性能最好？
AC 適配器的存在不斷提醒著，我們鐘愛的移動設備并不像想象的那樣具有移動性。每個移動設備都需要定期重新連接 AC 適配器，為其鋰離子電池充電。
雖然需求保持不變，但充電技術的背后卻在不斷發生變化。雖然硅一直是該領域的成熟技術，但制造商們現在正在考慮采用碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)技術來實現更高的效率。
最初，大多數 AC 適配器基本上是線性電源，它將變壓器與橋式整流器，以及電容濾波器組合在一起，將 AC 主電壓轉換為平滑的低壓 DC 電流以便適合為電池充電。這些適配器僅限于特定的 AC 電壓輸入，以產生特定的 DC 電壓輸出，通常不能在國際上通用。
它們又笨重又累贅，每個需要 DC 電源的設備通常都需要一個不同的適配器。而且，基于線性變壓器的充電技術效率低下，因為多余的功率會以熱量的形式耗散，即使在無負載電流的情況下也會耗散功率。
自 20 世紀 80 年代以來，開關模式電源(SMPS)逐步取代了基于線性變壓器的充電技術。各種各樣的電路拓撲結構出現，但基本上，它們都基于相同的原理：AC 電壓被整流為高 DC 電壓用以驅動開關電路，這種開關電路包含一個高頻工作的變壓器，并以所期望的低電壓輸出 DC 電流。
SMPS 的最大好處是它們適用于各種 AC 輸入電壓和頻率，因此得以生產「國際通用」的適配器。此外，SMPS 還可以透過配置產生各種 DC 輸出，利用改變高壓開關電路的開 - 關時間比例即可實現電壓調節。
相對較新的 USB-C 充電標準旨在提供高達 100W(比如電壓為 20V、電流為 5A)的可變充電功率，從而可以使用單個 AC 適配器為各種設備充電。此外，USB-C 線纜是雙向的，即可以使用相同的數據線透過顯示器為筆記本電腦充電或利用筆記本電腦為手機充電，設備一旦連接，充電功率和電壓即可動態配置。
用于消費類應用的 SMPS 通常需要額定電壓為 600V 的場效晶體管(FET)。該 FET 用來驅動 SMPS 中變壓器的高壓高頻開關。
合適的 FET 可以采用寬能隙(WBG)GaN、SiC 或硅制造。硅基超接合面(SJ)MOSFET 技術目前在移動設備 AC 適配器市場仍占主導地位，但 GaN 和 SiC 組件將提供更高的效率和更小的外形尺寸。
目前提出的 GaN 組件是在 GaN-on-Si 基板上形成的橫向高電子移動率晶體晶體管(HEMT)。寬能隙市場目前有多家 AC 適配器新創公司，但截至目前還沒有一家主要 OEM 采用這種技術。接下來，本文將比較這三種關鍵組件。
Avogy Zolt 充電器采用 SiC
2016 年，TechInsights 曾研究 Avogy 的 Zolt 筆記本電腦充電器，型號 ZM070LTPX01-G。盡管 Avogy 聲稱是 GaN 組件供貨商，但 TechInsights 卻發現 Zolt 中采用了一個 SiC 功率 FET，而且可能由 Cree 制造，包裝卻印上了 Avogy 的標記。
TechInsights 在 PntPower.com 的同事隨后指出，Avogy 采用 SiC 組件的原因之一是當時 SiC 可用并有效。圖 1 展示了 Zolt 筆記本電腦充電器主板，并標示了 AV150-00028 SiC 組件的位置。
圖 1 Zolt 筆記本電腦充電器主板。
Avogy 現在已不再是一家獨立公司，但 Avogy Zolt 仍能透過第三方零售商購買。TechInsights 追蹤了 Zolt 產品的 14 項設計，涉及多家公司，其中包括英飛凌(Infineon)、Maxim、Microchip 和德州儀器(TI)等。
采用 GaN 的 RAVPower RP-PC104
自 2016 年以來，GaN 商用市場取得了長足發展。現在有越來越多的供貨商提供基于 GaN 的 AC 適配器，包括 RAVPower、Anker、FINsix、Made in Mind(Mu One)等。
現在有許多供貨商提供 GaN FET 組件，從 GaN Systems 和 Navitas 等小型新創公司到英飛凌和 Panasonic 等大型企業。最近，TechInsights 發布了對 RAVPower RP-PC104 45 W USB-C 充電器的一些拆解結果，該充電器宣稱基于 GaN 技術。
我們發現 RP-PC104 采用了兩顆 Navitas NV6115 GaN 功率 IC。圖 2 顯示 RP-PC104 主板，標示了 Navitas NV6115 的位置。
圖 2 RP-PC104 主板。
TechInsights 隨后在 Made in Mind Mu One 45W 充電器和 Aukey PA-U50 24W USB 充電器中也找到了 Navitas 組件。Mu One 充電器與 RavPower 充電器的設計基本相同，兩者似乎都基于 Navitas 參考設計。
Aukey PA-U50 尤其令人感興趣，因為它采用了新的 Navitas NV6250 整合半橋 IC。TechInsights 目前正在對其進行仔細研究，圖 3 顯示了 RP-PC104 中整合 GaN HEMT 裸晶的 NV6115 芯片。
圖 3 NV6115 芯片。
Innergie 60C 采用了硅
TechInsights 最近購買了由 Delta Electronics Group 制造的 Innergie 60C USB-C 60W 適配器，預期其應采用 GaN 組件。網絡傳聞該設備采用了一個 600V 英飛凌 CoolMOS 超接合面 MOSFET，但 Delta 用安全涂料遮蓋了標記。
TechInsights 對 Innergie 60C 的拆解證實了它的確采用了 600V 英飛凌 IPL60R185C7 CoolMOS 組件并使用了安全涂料。但是，在該產品中沒有找到任何 GaN 組件。
圖 4 顯示 Innergie 60C 內部的其中一小塊 PCB。圖中標示了英飛凌 IPL60R185C7 600V CoolMOS 的位置，但標記被遮蓋。TechInsights 計劃針對 600V 英飛凌 IPL60R185C7 CoolMOS 組件做一份更詳細的分析。
圖 4 Innergie 60C 內部一塊 PCB。
AC 適配器前景展望
奇怪的是，在以上討論的三款 AC 適配器中，Innergie 60C 似乎提供了最佳的整體系統性能(表 1)。
表 1 三款適配器比較。
行動充電器性能的衡量標準之一是功率密度，即每立方英吋體積產生的瓦數。Innergie 60C 明顯是這一指標的贏家，其功率密度最高，為 17.4W/in3；而較早出現的 Avogy Zolt 則體積最大且功率密度最低。
Innergie 60C 的制造商 Delta 是一家 AC 適配器的成熟制造商，其聲稱每年可以生產 8,000 萬個筆記本電腦適配器。因此 Innergie 60C 的設計極有可能是經過高度優化，GaN 組件需要進一步優化才能有效地與硅基超接合面 MOSFET 技術競爭。
透過進一步對幾大主要 OEM 商用充電器進行研究，包括 Google Pixel 3、華為 Mate 200 Pro 和諾基亞 9 PureView 快速充電器，發現它們均采用了硅基超接合面 MOSFET 技術。顯然，硅技術繼續主導著這個市場。
由于 SiC 技術成本相對較高，因此不太可能在 AC 適配器市場取得大范圍應用。相反，該技術更適合高壓應用，目前它已成功取代了電動和混合動力車市場中的硅 IGBT 技術。
TechInsights 還發現 GaN AC 適配器在功率密度方面還沒有超越高質量的超接合面 AC 適配器。但無論如何，目前已知的 GaN 技術優勢，以及業界對 GaN 解決方案開發興趣將最終導致 GaN 在 AC 適配器市場中取得成功，期望在高效率、小尺寸、高功率的 AC 適配器中更多地見到 GaN 的身影。
目前在 GaN HEMT 功率晶體管市場已經有許多參與者，包括相對較新的新創企業和大型成熟企業。硅和 SiC 技術似乎已有獨立的市場利基，期待看到創新持續增長且不斷發展，GaN 也能成為適配器領域有力的競爭者。
