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科普:氮化镓是如何让充电器变小的?

送交者: MKE[☆★★★声望勋衔15★★★☆] 于 2020-08-07 1:52 已读 106 次 2赞  

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我们想认真的聊一聊氮化镓是怎么让充电器从一块大砖头变成半块砖头,变成一只口红,甚至变成一个仙贝。



想要理解氮化镓是如何让充电器变小的之前,我们先来讲一讲之前的充电器为什么那么大,我们的插座里是 220V 的电压,如果是直接引出一根线,连到手机会怎么样?嘣。


手机电池的输入电压只有不到 5V,充电器的第一步就是要解决如何从 220V 变成 5V 以内的低电压。还记得初中课本反复毒打我们的科学家法拉第和他的铁棒吗?


通电的导线缠绕铁棒会产生磁场,变化的磁场也可以产生电,如果我们把 220V 的电压在铁棒上缠一圈线圈电压是 220V,缠两圈每一圈就会变成 110V,而缠绕 220 圈的话,每一圈就是 1V,这个时候铁棒会形成磁场,如果我们再来一根铁棒靠近它缠绕一圈,那么这个变化的磁场就会传导变成电能,同样一圈就是 1V,如果缠上 5 圈就可以获得手机能接受的 5V。


为了降低电和磁的损耗,我们当联通两个铁棒的时候,就把毒打我们得法拉第铁棒变成了一个变压器,当我们把 5V 的电连到手机上的时候,是不是就可以在物理课上边玩手机边充电了呢?


抱歉,交流电之父特斯拉的粉笔头就飞过来了,220V 的电都来自于发电机,当转子旋转切割磁感线,在边缘时电压最小,经过中心时电压最大,离开时又变小,所以电压本质上是一个高低起伏的正弦曲线,而曲线的周期就是发电机的转速——每秒钟 50 次,所以我们插座中的电是 220V/50Hz 的交流电。



如果你刚好是藤原拓海,看东西越来越慢,或者有一部可以拍摄慢动作的手机的话,那么插线板上的二极管红灯在交流电的上弦波时就是亮的,在下弦波时就不亮,实际上也就是每秒钟 50 次的频率在闪烁。



我们手机的电池不能储存这样波动的交流电,刚好就需要 4 根二极管,这种只能单向导电的工作特性,就能把下弦翻转成上弦。 这个时候电压就变成了前浪和后浪彼此起伏的水流了。



这样高低变化的水流在进入手机之前还是有点浪了,有什么办法呢?把海浪引入一个大水塘,先储水再放水,就能保证水流的平稳,大水塘在电路中的作用就叫滤波,而元器件就叫电容,如果你管这个电容就叫「大水塘电容」的话,别人不仅不会笑话你,反而会认为你也是行家,混 Hi-Fi 圈的,因为老烧友都这么叫。


所以 220V 的交流电首先通过变压器变成了低压的交流电,再通过二极管变成前后浪脉动的直流点,然后经过「大水塘电容」变成低压平稳的直流电,至此我们就完成了一个可以给手机充电的充电器,但是相信我 2020 年的你绝对不想用它,因为大。



如果我们要拆开这样一个充电器,占体积最大的就是我们两个法拉第棒组合的变压器,它的体积是由交流电的频率决定的,为了更好的理解这个公式,假如手机需要的电是一桶水,相同的时间搬运 50 次,需要的容器就很大,如果搬运 100 次,那么容器就会小一点,搬运电的容器主要就是占体积的变压器和电容,所以想要缩小充电器的体积,最重要的就是要提升你搬电的频率,但搬运的频率早就被发电时的 50Hz 决定了,第一代充电器的体积也就被决定了。



如果改变不了发电机,那就只能改变自己。第二代充电器就是在充电器的内部把电的频率升高了,交流电的频率的确没有办法提升,但是直流可以,只要在电路上加一个开关,控制开和断,就能把直流变成频率更高的脉动直流。



开关的速度就决定了电的频率,所以在市电进入充电器时,先加一道整流滤波的过程,先把交流变成直流,再通过半导体的硅做开关,升高频率到 5 万次,相比于市电的频率整整提升了 1000 倍,搬运电的频率提高了,作为搬运工的变压器和电容就可以变小了。



这个就是第二代充电器解决了市电频率固定的问题,最经典就是苹果的 5V/1A,同样的 5W 充电器体积缩小了 5 倍以上,之所以不是对应的倍数关系,是因为材料的磁通量无法成倍的提升,这是为什么材料学的进步往往会带来产品性能和形态的巨大提升,但 5W 充电器充满手机要接近三个小时,已经不能满足现在我们这么挑剔的评测者了。所以近两年手机的充电功率一路飙升到 65W,充电的时间也缩短到了半个多小时,但充电器的大小又回到了大块头的时代,不管是 OPPO 还是华为,手机充电器的尺寸都跟电脑充电器差不多了。


既然我们已经掌握了充电器变小的秘密,只要继续增加硅开关的频率,充电器就可以无限变小下去,然后,咚。因为硅材料已经达到了开关频率的上限了,一个 65W 的充电器就得这么大。


第三代充电器就是新材料的创新,也就是我们最近经常听到的氮化镓,它在开关频率上突破了硅的上限,从每秒的十万级别提升到了百万级别,结果就是同样的 60W 充电器体积可以缩小一半以上,比较具有代表性的就是联想的口红,利用氮化镓开关的高频率,把传统的 20mm 厚的变压器缩小了一半,换成了不占空间的平面变压器,再次把大块头变小了,但联想口红的体积优势并没有维持太久,小米就实现了更小体积。



目前 75W 以下的充电器主要用的就是 QR 和 ACF 的电路架构,QR 架构氮化镓每次开关都有一部分的性能损耗,这样的损耗以每秒 10 万次发生带来的热量就非常大了,导致氮化镓开关的频率不能太高,同时也需要更大的面积去做散热,搬运电的速度就上不去,体积就没有办法变小。



像小米和 OPPO 用的是 ACF 架构,能够回收并且利用损耗的能量,发热降低,频率就能更高,相应的变压器和电容的体积就更小了,但是 ACF 的缺点就是贵,需要两颗氮化镓开关,按理说把这些元器件全部放进去,小米的体积已经能做到非常极致了。 为什么 OPPO 能做到体积比小米又小了一半呢?



其实做小是可以理解的,但是做薄就很不科学了。光一个电解电容即便躺着放,厚度也要比现在 OPPO 整个充电器还要厚,那想要再变小就要继续提升频率,但是频率一高电磁干扰又会变大,比如电视的雪花,音乐的呲啦声,有些充电器的电流声,就是电磁干扰造成的,要么就从别的元器件入手,比如体积还是很大的电容,所以我们就直接拆开看看 OPPO 内部到底是怎么变小的。



OPPO 的第一步就是把大的电解电容换成更小的陶瓷电容,如果直接用陶瓷电容会怎么样?嘣。电容起到的滤波作用,更小的陶瓷电容就像是小的水塘,进水的速度跟不上你出水的速度,过滤出来的电压就不够平直。



OPPO 同样是 ACF 架构,但是不管什么架构都要保证输出的功率的平稳,但一般的 ACF 架构因为电解电容滤波配合电压是平直的,电流也是平直的,就能保证输出功率是连续,损耗就会更小,发热也会相对更低。



而陶瓷电容滤出来的电压是波动的,想要恒定的功率就要在电压的低点就需要非常大的电流,这个时候损耗就会非常大,整体转化效率不到 80%,剩下 20% 意味着什么?就意味着全部变成热量。



举个例子,如果 50W 里面有 10W 都用来发热了,憋在这么小的体积一定会憋炸的。既然电路架构只要稳定的直流,那么唯一的办法就只能把整个电路架构都改了,让它不要那么挑剔。


OPPO 跟 TI 重新定制 ACF 架构就用占空比的方式放弃掉了效率的最低点,把损耗降到最低,最终把不到 80% 的效率提升到了 90% 以上,别看只有 10%,发热可整整降低了一倍多,体积大的电解电容被替换掉了,终于可以用这么小的仙贝充电了。 平时确实没问题,但只要一打雷,嘣。



要做到仙贝这么薄,还得需要体积这么大的压敏电阻跟电解电容,这都是用来防雷击带来浪涌电流的,可以用来保护电路的安全,陶瓷电容本来容值就比较小,更容易被高压电击穿,单独使用根本不可能通过国家的雷击测试标准,如果变小的代价是牺牲安全,国标第一个不答应。


对于防雷在各个领域都有非常成熟的解决方案,谁需要这么频繁的防雷而且对体积有极高的要求。 好像只有飞机天天需要在高空渡劫,而且没有空间背负太大的防雷系统,而机上使用的方案就是 OPPO 在仙贝上借鉴的航空二极管。


其实从整个做工来看,充电器内部更像是手机的主板,非常不像充电器,主板中间挖空,让变压器下沉,充分的利用了纵向空间。



变压器用的是行业内常见的平板变压器,不太常见是定制延伸出了一部分电路,横向的空间也没有浪费,充电器这个领域跟我们大家想的不太一样,一般来说变压器厂商只负责卖变压器,你买来再拿到主板厂商自己去组装,大部分的充电器变压器只是单纯的放在主板上,空间并没有完全被利用上。


到了输出滤波部分,为在节省空间,把电解电容换成非常小的陶瓷电容,但是会导致 50W 的满功率的输出的功率曲线,并不是平直的,也就是 OPPO 说的脉冲充电。给手机充电的过程就要是在倒水,倒进去的水是有波动的,如果只看最高水位等水静止下来,水位其实会下降的。为了更为精准的给手机充电,一般手机充电都会隔几分钟停一下,检测一下当前的水位来决定继续注水的水量。所以一般是先很快的倒水,等水快满了再慢慢倒水,也就是涓流充电的过程,这也是为什么手机最后 10% 总是充得很慢,跟我们倒水一样,如果检测水位的频率越高,下一次就能针对性的倒水,充电的效率也就能更高。


OPPO 就把陶瓷电容滤波带来的劣势巧妙的变成了每秒 100 次的水位检测,让充电效率更高了,但是 10% 的时间都用来检测水位了。OPPO 就把电流从 5A 增加到了5.5A,也增加 10% 来弥补脉冲带来的损耗,整个过程看下来,充电器变小难不难?不难。一切都是用的你能找到最小的元器件就可以了,但是效率就会变得很低。所以只有把大的变成小的,还能保持整体性能不变,这个才是最难得的。


陶瓷电容、平面变压器、飞机上的二极管,甚至氮化镓都已经是存在了很多年的东西了。但是利用工程学的进步,加上氮化镓基础科学的进步一起,才能完成从口变成现在的仙贝。


OPPO 仙贝的这种方案,未来其他家会不会用得上呢?充电器背后的快充方案都是标准跟协议,有标准跟协议的地方就有利益,所以各家都在做自己的私有协议,虽然都能通用,但只能在自家手机上发挥出最大的能力、最高的功率。而从技术本身来说,把充电器变小带来的纹波问题就是一个很难解决的问题,OPPO 手机恰好一直就在用脉冲充电,在自家手机上反而是一个比较巧妙的思路,而其他家的电流进入电池时还是采用的直流方案,所以能做小也许可以,但是可能还需要一定的定制时间。


看完原理也来看看疗效,我们拿 65W 的 VOOC 充电器来对比一下充电速度,最后让我们在充电曲线上升中结束这次科普。


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