氮化镓的下一个风口:PC电源
2021-04-11 21:35:56  出处:充电头网  作者:elevens11 编辑:上方文Q     评论(0)点击可以复制本篇文章的标题和链接

每台电脑PC电源需要用到10-16颗氮化镓功率器件,氮化镓应用下一个风口也浮出水面。

随着电脑CPU的“核战”开启,对多核性能的追求,电脑的CPU从单核到双核到四核再到现在YES的几十核。功耗自然是水涨船高,对电脑的电源自然提出了更多的要求,从功率到效率,从体积到功能,随着CPU的提升,电源也是不断进步的。

氮化镓应用新风口

氮化镓材料是第三代宽禁带半导体,基于氮化镓材料的开关管,现在已经在PD快充中普及。在快充中使用氮化镓开关管,能让我们的充电器变得更小巧,同等体积可以输出更大功率。

根据充电头网的观察,使用氮化镓的PD快充,和常规Si MOS的适配器对比,同等输出功率,体积只是常规Si MOS适配器的一半,可以说氮化镓的使用,真的非常明显的缩小了适配器体积。

使用氮化镓器件,氮化镓器件具备的高开关速度,可以通过提高电源的开关频率,以减小变压器的体积。

并且氮化镓器件的导阻低,效率高的优势,用在任何电源内部,都可以降低散热需求,无需使用散热片等辅助散热措施,减小电源体积。相比使用传统Si MOS,体积可以大大减小。

接下来我们来说说台式机电源。

台式机电源的主流规格是ATX和SFX电源,ATX电源是多年来沿用下来的老标准,由于历史遗留问题,体积较大。但是ATX电源也有着更多的选择,价位从百元到千元均有产品,功率选择也很多,真正做到丰俭由人。

氮化镓的下一个风口:PC电源

SFX电源是近年来兴起的新电源尺寸,ATX标准尺寸150*140*86mm,体积为1806立方厘米,SFX标准尺寸为125*100*63.5mm,794立方厘米,体积是ATX电源的一半还少。虽然体积小了很多,依然兼容现有的主板,也具有很好的扩展性。

随着现代电源拓扑的使用和元件性能的进化,SFX电源的功率已经达到750W,已经能够满足主流的装机需求。同时现代人对电脑的体积也开始有了要求,出现了很多小机箱,只有10升以下的体积。

这种机箱通常都采用SFX电源来缩小体积,满足人们对减小机箱体积,减少空间占用。高性能小钢炮的追求开始普及,越来越多的人,也在装机的时候选择小型机箱。

截止目前,SFX电源的功率为750W,虽然说这个功率已经不算小,能满足很多主流平台的功率要求,但是相比ATX电源动辄1KW以上的输出功率,配合高性能平台,还不是很够用。那么我们有没有办法继续提高SFX电源的输出功率和转换效率呢?

办法一定是有的,我们可以把氮化镓器件引入到SFX电源中,在初级开关管和同步整流管都使用氮化镓开关管来取代传统的Si MOS,组成All GaN方案。

在电源中使用氮化镓开关管,除了受益于氮化镓本身优势,减少损耗以外,All GaN方案,由于次级使用氮化镓开关管来进行同步整流,降低了次级同步整流控制器的驱动压力,可大幅提高电源的工作频率,从而缩小电源内部变压器等磁性元件的体积。

同时12V转5V和3.3V的同步整流降压电路也可以使用氮化镓器件,通过降低损耗提高效率和提高频率,降低电路板散热要求,并且缩小磁性元件体积。

氮化镓让PC电源小巧高效

除了在电源中使用氮化镓开关管,我们还有没有其他办法减小电源内部元件的体积呢?通过我们的拆解,快充适配器的内部,早年是需要多颗IC来实现PFC+LLC的功能。近年来推出了多款多合一的控制器,可以减小初级侧的元件数量。我们在SFX电源中也可以使用这种多合一的控制器,来精简电源的初级,减小电路板的面积。

氮化镓的下一个风口:PC电源

据Gartner统计,2020年全球PC出货量同比增长4.8%至2.75亿台,为十年来最高增幅。加上以往出货量,全球至少有数十亿台电脑保有量。而这些个人电脑内置的PC电源,也都有升级为氮化镓功率器件的潜力。

80 PLUS计划是由美国能源署出台, Ecos Consulting 负责执行的一项全国性节能现金奖励方案。起初为降低能耗,鼓励系统商在生产台式机或服务器时选配使用满载、50%负载、20%负载效率均在80%以上和在额定负载条件下PF值大于0.9的电源。

电脑玩家对80 PLUS评分等级再熟悉不过了,根据转换效率的高低,分别为白牌、铜牌、银牌、金牌、铂金、钛金。

氮化镓的下一个风口:PC电源

就拿对PC电源转换效率最严苛的80 PLUS钛金为例,要求10%、20%、50%、100%的效率分别为90%、94%、96%、92%。电学也要遵循能量守恒定律,96%相当于能量达到了最大化的利用,当然这个数字对于采用Si功率器件的传统开关电源技术来讲,就是不可能达到的高度。

但是,氮化镓功率器件在PC电源上的应用,就能轻松的达到80 PLUS铂金标准,并有望集体挑战钛金标准。这让消费者以同样的价格,买到了同等功率,但是效率显著提升的高效PC电源。

如何实现

现在的大功率电源几乎全部使用高效率LLC谐振架构配合PFC做输入功率因数校正,并且采用这一架构的电源在快充上得到了普及。台式机电源固定12V单电压输出,并且输入具有PFC电路,输入输出电压固定,所以整个工作环境非常适合高效的LLC谐振架构。LLC谐振架构属于双管半桥谐振,采用零电压软开关,具有高效率优势,能满足80Plus钛金效率的严苛要求。

LLC+PFC combo

通过充电头网对大功率氮化镓快充的拆解,我们发现,在大功率适配器的初级中使用多合一的控制器,可以大幅简化初级侧电路设计,一颗控制器完成初级侧两颗控制器的功能,并且多合一的控制器还内置完善的保护功能,可实现精确迅速可靠的保护。同时多合一的控制器,支持LLC与PFC联动,部分多合一控制器还支持数字控制,可实现更好的动态响应和更低的空载功耗。

目前市面上的LLC+PFC combo有MPS推出的HR1211、英飞凌推出的IDP2308、NXP推出的 TEA2016AAT 。

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MPS HR1211将PFC控制器和LLC控制器整合到一个封装里面,其数字内核并可根据负载情况进行联动控制,获得更高的轻载效率。芯片内置多个独立的ADC用于检测输入电压,PFC输出电压,LLC反馈电压和PFC峰值开关电流。检测数值送到HR1211内置的数字控制内核进行比较,配合芯片内专有的数字算法,进行实时反馈控制。HR1211支持多种完善的保护措施,如热关断、PFC开环保护、过压保护、过流限制和过流保护、超功率保护等多重保护。值得一提的是,HR1211空载待机功耗<100mW。

氮化镓的下一个风口:PC电源

英飞凌IDP2308是一个数字多模式 PFC 和 LLC 控制器,集成了浮动高侧驱动器和启动单元。数字引擎为多模式操作提供高级算法,以支持整个负载范围内的最高效率,实现了全面且可配置的保护功能。DSO-14 封装仅需要最少的外部组件。集成的高压启动单元和先进的突发模式可实现低待机功率。此外,集成了一个一次编程 (OTP) 单元,以提供一组广泛的可配置参数,有助于简化相位设计。

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NXP TEA2016AAT芯片内部集成高压启动,内部集成LLC和PFC控制器以及对应的驱动器。TEA2016AAT集成X电容放电,正常输出信号指示。芯片采用谷底/零电压开关以减小开关损耗,全负载范围内都保持高转换效率,并且符合最新的节能标准,空载输入功率<75mW。同时TEA2016AAT还具有完整全面的保护功能,包括电源欠压保护,过功率保护,内部和外部过热保护,精确的过压保护,过流保护和浪涌保护等保护功能。

PFC电路

PC电源通常都是300W到1000W的功率范围,PFC电路可以说是PC电源的标配,必不可少。这也意味着每台PC电源的PFC电路有望导入氮化镓功率器件,并且最少需要用到2颗并联。

氮化镓的下一个风口:PC电源

随着业界对电源功率密度的追求,以及氮化镓功率器件的普及,主动式PFC需要提高工作频率来减小磁芯体积,这也为氮化镓功率器件在PFC上的应用创造有利条件。

开关电源中,由于整流后采用大容量的滤波电容,呈现容性负载,而在电容充放电时会使电网中产生大量高次谐波,产生污染和干扰,人们开始在开关电源中引入PFC电路,功率在75W以上的开关电源强制要求加入PFC电路以提高功率因数,修正负载特性。

PFC分为被动式和主动式两种。被动式采用大电感串联补偿,主要缺点是体积大,且效率低。随着近年来半导体器件迅猛发展,被动式PFC被主动式PFC全面取代。主动式PFC采用PFC控制器、开关管、电感和二极管组成升压电路,具有体积小,输入电压范围宽,功率因数补偿效果好的优点。

主动式PFC通过控制器驱动开关管升压、二极管整流为主电容充电,根据电压电流之间的相位差进行功率因数补偿。

GaN Driver

提到氮化镓,就离不开驱动器了。氮化镓固然具有种种优势,但是氮化镓的驱动要求相比传统Si MOS要高一些。传统的控制器可以直接驱动MOS管,但是氮化镓需要精确的电压和高电流输出能力来确保精确的开通和关断,传统的控制器就不行了。

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氮化镓器件目前分为两种,其中一种是内置驱动器的,将驱动器和保护电路还有氮化镓功率器件集成在一个封装内部。例如纳微、意法半导体、英飞凌的集成功率芯片,只需要输入控制信号,即可实现数字输入,功率输出。无需外置驱动器。

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还有一种是以IDM氮化镓功率器件原厂英诺赛科为代表,只生产氮化镓芯片,封装内只有氮化镓功率器件,需要外置驱动器。但是这种方案比较灵活,两种方案均有不同厂商使用。

氮化镓功率器件

氮化镓引入PD快充后,对充电器的效率和体积,观感提升非常明显。氮化镓器件使用在SFX电源中,相比传统Si MOS,可明显提高PFC和LLC级的转换效率,在相同功率下减小散热片面积,或在相同的散热片面积下提高输出功率。

初级高压与次级低压均采用氮化镓功率器件,组成适配器的初次级全套氮化镓解决方案,在初级使用氮化镓开关管的基础上,次级同步整流也使用氮化镓,强强联手,在高频开关下降低驱动损耗,降低驱动IC的温升,从而提高效率,减小电源体积。

氮化镓的下一个风口:PC电源

低压同步整流可以使用贴片氮化镓开关管,使用常规贴片Si MOS的焊接方式散热。在电路板上开金属化过孔,大面积敷铜露铜焊接。管子发热通过铜箔与堆锡,传导至散热片散出。金属化过孔设计在大功率电源上非常常见。

大功率台式机电源为了简化次级设计并应对日趋严格的效率要求,采用12V单电压输出,并配合同步整流,提高转换效率。摒弃原有的磁稳压输出电路,减少次级元件数量,减小体积的同时并具有更好的负载调整性。

12V大功率输出满足CPU和显卡供电要求,电源内置同步DC-DC将12V降压为5V和3.3V,用于为主板、硬盘等外设供电。这三个改进共同努力,提高了电源的效率,还简化了电源次级设计,减少元件数量,提高电源功率密度。架构的升级,为电源小型化提供了可能,也成为了高端电源的标配。

方案优势

在SFX电源中使用All GaN方案,首先可以提高电源的整体转换效率。通过效率的提升,再辅以一体化PFC+LLC控制器加持,可以进一步精简元件数量,提高电源的功率密度。毕竟在PD快充里面,使用氮化镓以后,同功率对比,体积都缩小一半多了。

在PC电源中使用氮化镓器件,PFC需要使用2颗,初级开关需要4-8颗,输出同步整流也需要4-8颗。氮化镓器件的可靠性,已在诸多大厂得到验证,例如OPPO的饼干、联想的口红、LG的笔记本适配器。

SFX电源也是采用传统风扇吹风散热的冷却方式,并且由于SFX电源尺寸的限制,风扇直径通常为8-9cm,相比传统ATX电源12cm风扇的设计,风扇转速较高,噪声也相对明显。

而采用氮化镓功率器件后,转换效率提升,电源损耗的功率降低,发热量也就降低。内部元件精简以后,内部空间变大,使用更高效的散热片。结合低发热量和高效散热,可以有效降低风扇噪声。

同时,电源内部使用的电解电容等元件,也会随着温升的降低,延缓器件老化,有效延长寿命。

PC电源最新规范ATX 12V only

ATX12VO是英特尔最新的电源标准,意思就是电源只输出12V为主板供电。12V(Only)电源最直观的改变就是去掉了电源内部的5V和3.3V转换电路,电源只输出12V,线路简洁。

氮化镓的下一个风口:PC电源

今后的12VO电源只输出主板一路,CPU供电一路,显卡供电一路。外接机械硬盘,风扇等外设从主板取电,对于轻度使用者来说,不使用独立供电的显卡,硬盘采用NVME固态硬盘,电源只需为CPU和主板供电,即可满足整机供电需求,可以做到非常简洁。

氮化镓的下一个风口:PC电源

至于机械硬盘所需的5V,由主板上的降压电路将12V降压成5V输出,主板上输出5V和12V为机械硬盘供电。ATX12VO标准将降压电路从电源内部移到主板上,避免了5V和3.3V输出的线路损耗,至今传统电源3.3V输出还有采样线检测输出端压降。并且5V和3.3V因为电压低,即使功率不大,电流也是很可观的,再折合线损和连接器损耗,也有一部分损耗。

氮化镓的下一个风口:PC电源

主板的变化相当于在原有的CPU、内存、南桥等供电上增添5V和3.3V供电,负责PCI接口,USB,外接硬盘,NVME SSD的供电,得益于现今同步整流降压的成熟,主板上增加供电电路,成本也可以得到很好的控制,相比起原来由电源来输出5V和3.3V,更加稳定。

至于效率来说,对于原有的高价电源,12V同步整流输出,5V和3.3V开关降压架构,可以说是略微提升,5V和3.3V输出连接器和导线的损耗去掉了。至于廉价电源,单独12V输出,省掉磁稳压环节,效率提升幅度大一些,从新装机采用新硬件来说,这个总归是好事。

成本上来说,电源的整体成本是下降的,PCB简化设计,输出线缆减少。

全球已有多家氮化镓功率器件原厂批量出货,新标准的推行,对这些厂家是利好,顺带还有固态电容,电感等厂家,看涨看涨。

再来说说这个把降压都集成在主板上的事,首先可以肯定的是,主板的价格是一定会提升的,毕竟增添了一部分供电元件在上面,设计和物料都要增加,但是换来的是节能和机箱内部的整洁。另外可靠性的问题,主板厂家的设计水平,个人觉得是要超过电源厂的,把降压从电源内部移出来到主板上,没有问题,另外主板上多相的CPU供电,复杂度和稳定性要求远超过集成几个降压在主板上,CPU供电主板都搞得定,几个降压更不是问题了。

最后来说说ATX12VO对于电源的影响。对于12V同步整流的电源来说,可以去掉内部12V降压5V和3.3V的电路,去掉降压小板并且去掉5V和3.3V滤波电容,简化电源结构。而对于磁稳压的电源来说,只做12V输出,取消掉磁稳压和管控IC,可以一定程度提高效率,同时降低电源成本。

总结

更高的能耗要求是全行业不变的追求,我们看到氮化镓器件应用在PD快充上,通过效率的提升,减小了适配器的散热需求。通过频率的提升,缩小变压器尺寸。通过以上两点大大缩小适配器的体积。

ATX电源作为多年前的标准,市场普及率非常高。但随着现在ITX主板和小机箱占有率的提升,SFX渐成气候。

如今在高能效电源上同步整流的普及,既是效率要求,也是发展的必然。半导体材料性能的进化,为我们的生活带来更好的改变。All GaN的SFX方案,定能为日益普及的SFX电源带来全新的动力,全新的认识。

Intel ATX12VO标准的推出,将占据电源空间的降压小板,转移到主板上,由主板来进行降压转换。大大简化了电源设计和生产工艺,同时对于主板来说,不增加工艺难度,也是资源优化的一种体现。

目前氮化镓功率器件已经在笔记本电脑充电器中大量采用,如戴尔、LG、 小米、联想、华硕、尚巡等已经批量出货。今年下半年,我们还会看到氮化镓在PC电源上的应用,敬请期待。

- THE END -

#电源#氮化镓

原文链接:充电头网 责任编辑:上方文Q

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