GaN氮化鎵充電器為何這么小？揭開開關電源小型化的秘密
GaN（氮化鎵）作為第三代半導體材料，在2020年的充電周邊市場中風生水起。氮化鎵充電器給消費者的第一印象就是小巧，很難想象原本體積龐大的45W、65W、100W中大功率充電器，似乎在一夜之間變得小巧玲瓏、掌心可握。開關電源小型化的突破性變革純粹是由氮化鎵材料帶來的嗎？本文將和各位一同探討和揭秘。
秘密一：空間的魔術——PCB立體布板
在GaN材料商用之前有沒有體積小巧的充電器，答案是肯定的，而且這款充電器鼎鼎有名：iPhone的“五福一安”。在5W功率的時代，其26mm見方的體積足以傲視群雄。縮小體積的關鍵秘密就在于PCB的立體布板。充電器采用了上下兩層PCB的立體布板方式，上下層元器件相互交錯，充分的利用了空間，這種布板工藝在同期充電器中鮮有所見。正是這種由單PCB到多PCB，由二維到三維的設計，充電器體積得到了極致的縮減。
經典總是值得效仿，ANKER nano就是一款向其致敬的產品。立體布板和空間利用原則在nano得到了進一步的提升，PCB數量由兩片升級為三片，且功率提升至18W。當然體積不變的前提下，功率的提升，PCB立體布板只是其一，高度集成化IC和BOM數量的減少同樣密不可分，這個留待后文詳說。
上述兩款充電器都是非GaN產品，下面來看看目前65W功率段體積最小的小米GaN充電器的內部布局。一樣采用了PCB立體布板設計，同時PCB平板變壓器的采用，使得體積得到進一步的壓縮。立體布板、GaN器件、平板變壓器，小米同功率段最小體積的獲得，幾乎用盡了空間壓縮的每一種手段。友商GaN產品也幾乎無一例外的使用PCB立體布板以提高空間利用率，繼而縮小體積，在此不再一一舉例。
秘密二：由立到臥——SMT的全面應用
元器件封裝貼片化和SMT工藝的全面應用是電子產品小型化的第二個推手。隨著電子制造技術的不斷發展，傳統直插式封裝（To）器件逐步被體積更小、性能更優的貼片式封裝所替代，大量使用直插封裝器件的充電器同樣淡出主流配件市場。在幾年前，我們看到的充電器內部可能是這樣的：大量的直插式分立元器件、PCB布局松散、功率器件由于熱性能不佳甚至還需加上散熱片輔助散熱，這些都直接造成了傳統充電頭的龐大體積。
這是小米 65W GaN充電器的底層PCB，除EMI器件、大容量電解電容和變壓器，其余器件全為貼片封裝，PCB布局也更加緊湊。元器件封裝形式的變化，直接推動了開關電源的小型化。
秘密三：高度的集成——IC的加減法藝術
常見的PWM開關電源由EMI、整流濾波、PWM控制、MOSFET開關、變壓器、同步整流、反饋和輸出濾波組成。以往各部分功能由獨立器件或IC完成，在IC高度集成的推動下，多功能模塊的整合使得原來由多個器件和IC實現的功能，如今在一片IC就可完成。最具代表的就是PI（Power Integrations）的InnoSwitch™系列，在一個表面貼裝封裝內集成了初級電路、次級電路和反饋電路，尤其是內置氮化鎵的InnoSwitch3，可提供更大功率、更高的效率以及更具可靠性，并且在密閉適配器內不使用散熱片的情況下可提供100W的功率輸出。IC的高度集成，自然帶來周邊器件的減少，充電器體積也可同步縮減。
除PI外，氮化鎵功率芯片的另兩家生產商納微半導體和英諾賽科中，納微也同樣采用了內置控制器+GaN開關的集成方案。可以這么說IC高度集成的加法成就了開關電源小型化的減法。
而英諾賽科是單GaN單開關管設計，這是采用該方案的某款產品，PWM+GaN獨立器件，加上PCB布局的過于松散，直接造成了此電源體積的“原地踏步”。
秘密四：GaN優良特性——告別輔助被動散熱
由于硅器件的性能限制，在中高功率應用時，往往需要輔助被動散熱（To封裝或散熱片），這也是造成開關電源體積增加的主要原因之一。氮化鎵器件在性能上遠遠拋離日益陳舊的功率MOSFET器件，具有更低導通電阻、更低電容、更大電流及卓越的熱性能。這種優良特性，讓氮化鎵功率器件幾乎可以完全告別傳統的輔助被動散熱方式，而依靠PCB覆銅、過孔搪錫等小范圍的方式實現散熱。拋棄了笨重的輔助被動散熱設施，體積將可做得更為小巧。
秘密五：開關電源高頻化——一把雙刃劍
通常來說，要提高開關電源產品的功率密度（即同等體積下，輸出功率越高），首先考慮的是提高其開關頻率，能有效的減小變壓器（如圖）、濾波電感、電容的體積，而GaN的材料特性恰恰能夠滿足這一要求。但是，開關頻率的提高，將要面臨的是由開關頻率引起的損耗、溫升和EMI等一系列問題。因此GaN器件的使用不能單純從提高開關頻率途徑縮小產品體積，而應在適當提高頻率的同時，優化PCB、元器件布局，減小寄生因子，從而提高單位功率密度。
總結
開關電源小型化決定于開關管、變壓器、EMI、PCB及一系列工程設計，GaN新材料的加入，確實給電源小型化帶來了質的變化，但是電子設計制造技術的進步和發展與之密不可分，不可或缺。可以想見，新材料和新技術的不斷發展，開關電源功率密度將更加提高、體積將更加縮小。如同摩爾定律，開關電源也必然是“沒有最小、只有更小”。
