雖然從蘋果被認爲是取消附帶充電器的始作俑者,但現在的智能手機不附帶充電器已經成爲常态了,所以人們不得不自行購買。由于當下的手機的電池容量越來越大,加上人們愈發追求較短的充電時間,所以高功率的快速充電器就成爲首選,尤其是氮化镓 GaN 充電器已經成爲了主流,例如下圖的這款聯想拯救者 C135 氮化镓 GaN 充電器輸出功率就高達 135W。
早期的電源适配器,通常都是由傳統的矽鋼片或者鐵氧體環繞制初級和次級線圈的變壓器變壓,然後再經過整流和濾波即可輸出我們所需的直流電,這種電源也被稱爲線性電源。下圖就是一個最簡單的線性電源電路圖,不僅隻有一路電壓輸出,甚至連濾波電容都沒有。
線性電源可以說是簡單粗暴,但是能效較低,想要提高輸出功率勢必就要增加變壓器的體積和重量,尤其是一些高功率的變壓器,體積往往重達數公斤,而且還會帶來較大的發熱損耗,這顯然是人們所不能接受的,所以現在線性電源基本淘汰,僅應用于一些音頻功放中,而我們使用的無論是手機充電器還是筆記本電腦的電源适配器,還是台式機用的電源供應器,都是用的開關電源。
線性電源能效低的原因就是使用時 220V 50Hz 或者 110V 60Hz 的工頻交流電,人們發現如果提輸入交流電源的頻率,就可進一步提升電源的效能,這樣就使得變壓器在保證足夠的功率輸出的同時,還能實現較小的體積。但這樣會使得電源的電路發生較大的變化,開關電源需要先将 220/110V 50/60Hz 正弦波交流電整流成高壓直流電,然後再由開關電路将其逆變成超高頻率的方波交流電,然後再經過變壓器的變壓,最後經過整流和濾波即可輸出我們所需的直流電,下圖就是個簡單的開關電源電路。
那麽開關電路如何把直流電變成高頻交流電的?我們在高中物理中學過,變壓器的初級線圈如果快速的有電流通斷,次級線圈也會感應出交流電,但是圖形就是方波而非正弦波。在開關電源中,半導體的開關管就成爲核心部件,它是通過高速的開關來實現對于變壓器輸入電源頻率的提升,例如問我們的工頻交流電是 50Hz,而開關管的開關頻率達到數 KHz,甚至 1MHz 以上。開關管的開關頻率越高,電源的能效也會随之提升,但由于半導體元件也是有電阻的,高頻工作時發熱量較大,往往要固定在散熱片上。我們目前常用的開管主要采用的是矽基功率 MOSFET,但随着人們對于更快的開關速度和更低電阻的要求不斷提升,矽基功率 MOSFET 已經被推到了極限,所以氮化镓 GaN 半導體就成爲新一代的功率元件。
氮化镓 GaN 被稱爲第三代半導體,堪稱是把電子性能帶到另一個更高水平、恢複摩爾定律的的快速發展一種全新材料,當然晦澀難懂的材料解析和工作原理我們就略過了,大家隻要知道氮化镓 GaN 器件的電子傳導效率是矽基器件的 1000 倍就可以了,氮化镓 GaN 高電子遷移率可實現更高的擊穿強度、更快的開關速度、更高的熱導率和更低的導通電阻,用氮化镓 GaN 制造高效率功率晶體管和集成電路會,實現更高的功率和更小的體積,例如下圖就是矽功率元件和氮化镓 GaN 的功率元件的體型對比,而 " 五福一安 " 的體型現在已經可以做到的 30W 的功率。
除此之外,氮化镓 GaN 也開始嘗試在台式機的電源供應器上使用,并帶來了較大的功率,典型的産品就是華碩 ROG 玩家國度的雷神,最高可提供 1600W 的功率輸出,可以說直接帶兩個 RTX 4080 都沒問題,隻是價格方面讓人隻能仰視了。
簡單的說,氮化镓 GaN 讓我們用上了更小體型、更高效率和更高穩定性的電源。不過,氮化镓 GaN 電源雖好,不過購買的時候也不要過于追求功率,例如 100W 以上的都可以爲筆記本電腦供電了,而手機和平闆電腦,選 30W 或者 65W 的就可以了。