GaN氮化镓充电器为何这么小？揭开开关电源小型化的秘密

GaN（氮化镓）作为第三代半导体材料，在2020年的充电周边市场中风生水起。氮化镓充电器给消费者的第一印象就是小巧，很难想象原本体积庞大的45W、65W、100W中大功率充电器，似乎在一夜之间变得小巧玲珑、掌心可握。开关电源小型化的突破性变革纯粹是由氮化镓材料带来的吗？本文将和各位一同探讨和揭秘。

秘密一：空间的魔术——PCB立体布板

在GaN材料商用之前有没有体积小巧的充电器，答案是肯定的，而且这款充电器鼎鼎有名：iPhone的“五福一安”。在5W功率的时代，其26mm见方的体积足以傲视群雄。缩小体积的关键秘密就在于PCB的立体布板。充电器采用了上下两层PCB的立体布板方式，上下层元器件相互交错，充分的利用了空间，这种布板工艺在同期充电器中鲜有所见。正是这种由单PCB到多PCB，由二维到三维的设计，充电器体积得到了极致的缩减。

经典总是值得效仿，ANKER nano就是一款向其致敬的产品。立体布板和空间利用原则在nano得到了进一步的提升，PCB数量由两片升级为三片，且功率提升至18W。当然体积不变的前提下，功率的提升，PCB立体布板只是其一，高度集成化IC和BOM数量的减少同样密不可分，这个留待后文详说。

上述两款充电器都是非GaN产品，下面来看看目前65W功率段体积最小的小米GaN充电器的内部布局。一样采用了PCB立体布板设计，同时PCB平板变压器的采用，使得体积得到进一步的压缩。立体布板、GaN器件、平板变压器，小米同功率段最小体积的获得，几乎用尽了空间压缩的每一种手段。友商GaN产品也几乎无一例外的使用PCB立体布板以提高空间利用率，继而缩小体积，在此不再一一举例。

秘密二：由立到卧——SMT的全面应用

元器件封装贴片化和SMT工艺的全面应用是电子产品小型化的第二个推手。随着电子制造技术的不断发展，传统直插式封装（To）器件逐步被体积更小、性能更优的贴片式封装所替代，大量使用直插封装器件的充电器同样淡出主流配件市场。在几年前，我们看到的充电器内部可能是这样的：大量的直插式分立元器件、PCB布局松散、功率器件由于热性能不佳甚至还需加上散热片辅助散热，这些都直接造成了传统充电头的庞大体积。

这是小米 65W GaN充电器的底层PCB，除EMI器件、大容量电解电容和变压器，其余器件全为贴片封装，PCB布局也更加紧凑。元器件封装形式的变化，直接推动了开关电源的小型化。

秘密三：高度的集成——IC的加减法艺术

常见的PWM开关电源由EMI、整流滤波、PWM控制、MOSFET开关、变压器、同步整流、反馈和输出滤波组成。以往各部分功能由独立器件或IC完成，在IC高度集成的推动下，多功能模块的整合使得原来由多个器件和IC实现的功能，如今在一片IC就可完成。最具代表的就是PI（Power Integrations）的InnoSwitch™系列，在一个表面贴装封装内集成了初级电路、次级电路和反馈电路，尤其是内置氮化镓的InnoSwitch3，可提供更大功率、更高的效率以及更具可靠性，并且在密闭适配器内不使用散热片的情况下可提供100W的功率输出。IC的高度集成，自然带来周边器件的减少，充电器体积也可同步缩减。

除PI外，氮化镓功率芯片的另两家生产商纳微半导体和英诺赛科中，纳微也同样采用了内置控制器+GaN开关的集成方案。可以这么说IC高度集成的加法成就了开关电源小型化的减法。

而英诺赛科是单GaN单开关管设计，这是采用该方案的某款产品，PWM+GaN独立器件，加上PCB布局的过于松散，直接造成了此电源体积的“原地踏步”。

秘密四：GaN优良特性——告别辅助被动散热

由于硅器件的性能限制，在中高功率应用时，往往需要辅助被动散热（To封装或散热片），这也是造成开关电源体积增加的主要原因之一。氮化镓器件在性能上远远抛离日益陈旧的功率MOSFET器件，具有更低导通电阻、更低电容、更大电流及卓越的热性能。这种优良特性，让氮化镓功率器件几乎可以完全告别传统的辅助被动散热方式，而依靠PCB覆铜、过孔搪锡等小范围的方式实现散热。抛弃了笨重的辅助被动散热设施，体积将可做得更为小巧。

秘密五：开关电源高频化——一把双刃剑

通常来说，要提高开关电源产品的功率密度（即同等体积下，输出功率越高），首先考虑的是提高其开关频率，能有效的减小变压器（如图）、滤波电感、电容的体积，而GaN的材料特性恰恰能够满足这一要求。但是，开关频率的提高，将要面临的是由开关频率引起的损耗、温升和EMI等一系列问题。因此GaN器件的使用不能单纯从提高开关频率途径缩小产品体积，而应在适当提高频率的同时，优化PCB、元器件布局，减小寄生因子，从而提高单位功率密度。

总结

开关电源小型化决定于开关管、变压器、EMI、PCB及一系列工程设计，GaN新材料的加入，确实给电源小型化带来了质的变化，但是电子设计制造技术的进步和发展与之密不可分，不可或缺。可以想见，新材料和新技术的不断发展，开关电源功率密度将更加提高、体积将更加缩小。如同摩尔定律，开关电源也必然是“没有最小、只有更小”。