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科技
作者:X科技实验室
2021-05-27 15:34
[亿欧导读]

氮化镓这种第三代半导体材料开始影响我们的生活或许就是从一颗小小的充电器开始。

手机充电器里,竟然藏着最前沿的半导体材料?

题图来自“原创图片”

发现没有,手机这几年是越做越轻薄,可手机充电器的个头,却是越来越大。

这是小米和IQOO的两款原装充电器,个头都快赶上一部iPhone4了。手机厂商可以在处理器、摄像头、屏幕上不惜重金搞研发,为什么就不能把充电器变得小一点呢?

今天我们来聊聊充电器尺寸这件事,顺便暴力拆解一下市面上尺寸较小的快充头,来探寻一下事情的真相。

先简单讲讲原理。

充电器要把插座里220V 50Hz的交流电换成低压直流电才能给手机充电,在这个过程中,变压器的大小直接影响充电器的体积,如果你还记得高中物理知识,会记得电压变化的核心原理,是两个线圈在电磁感应作用下实现的。

这个过程中用到的法拉第电磁感应定律,可以用这样一个公式(U=2π*f*N*Bm*S/√2)来表示,而各符号的对应关系是这样的。

其中,铁芯横截面积S和每伏匝数N,可以决定变压器的体积,从而直接影响充电器的大小。

在现实应用场景中,考虑到电路损耗、发热等各方面因素,N、S是不能随意缩小的。

如果一定要把它缩小的话,比较有效的办法就是提高交流电频率f

所以概括目前充电器缩小体积的主流技术,都是先将插座里的220V 50Hz的交流电源转化成高压直流电,再通过半导体开关管将其转化为一个频率更高的脉动电流,频率f提升了,充电器的体积就相应缩小了。

这种开关芯片,之前使用的半导体材料主要是硅或锗,在实际应用中,提升电源频率到100kHz左右也就到头了。

这个上限的存在,使得快充功率增加后,充电器的块头只能变得越来越大。

如果想在进一步提高充电功率、实现更快充电速度的同时,不增加充电器体积甚至缩小体积,就需要找到比硅更扛造的半导体材料

答案就是我们总能听到快充厂商提到的氮化镓。更进一步说的话,氮化镓这种第三代半导体材料,具备耐高温高压以及功率密度大的特性。

使用了氮化镓芯片的充电器,将原本硅基芯片的开关频率从100kHz提升到了1000kHz,能让充电器体积小的同时实现高功率充电。

不过由于氮化镓芯片现阶段生产制造难度较大,成本居高不下,所以除了充电器之外,它目前还没有大规模应用于普通消费品,更多是被用在5G基站、军事雷达、低轨卫星等这些高频高功率高温高电压的高新科技场景中。

那么氮化镓做的半导体芯片,到底长什么样?氮化镓充电器的性能又如何呢?

为了满足好奇心,我们决定用Anker最新上市的产品氮化镓超能充65W充电器,来做拆解和测试。

经过实验室Tony老师的一顿操作,在清理掉厚厚的散热材料后,我们就拿到了这块Anker超能充的核心部分。

‍因为采用的三板堆叠技术,让充电器内部布局实现了进一步的优化,才将体积压缩到了现在看到的样子。

其中,这两颗小小的芯片,就是我们前面提到的,用氮化镓材料制成的第三代半导体。尺寸上,较大的那一块其实比指甲盖还要小。而这个Logo,则代表主攻电源芯片的美国PI公司生产,是这个领域比较领先的公司。

这款Anker氮化镓超能充能兼容市面上主流的充电协议,可以提供不同功率的输出。在实测中我们接入了各种不同品牌的手机,基本都能实现快充。

除了可以给不同品牌的手机充电之外,它还可以给笔记本电脑、平板电脑、游戏机等设备充电,尤其适合苹果全家桶用户。

我们将它与Macbook Pro的61w原装充电器做了个对比测试。对同一台剩余20%电量的电脑进行充电,分别插上体积和重量悬殊的两款充电器。

30分钟过去后,使用苹果原装充电器的电脑电量升到了64%,使用Anker超能充的这台升到了62%。

而且用电表测试可以发现,充电过程中的最高功率,一度达到了56W。

而我们用测温枪观测了一下此时的充电器温度,大概是56摄氏度,这也满足了目前国际更严苛的IEC77度温控标准。

这种温控表现,和内部的ACF电路有一定关系,这种电路设计能让氮化镓芯片高频运作的时候,减少并回收利用电能传输中产生的损耗,保证了电利用率的同时,降低了发热量。

仔细想想,对于经常出差或者旅游的朋友来说,只需要在包里塞一个那么小的充电器,就可以给身上的各种设备充电。

最后我们有个感叹,硅这种半导体材料的应用,使得计算机得到普及,并彻底改变了人类的生活方式。

那么,氮化镓这种第三代半导体材料,又会如何影响我们的生活呢?或许,就是从一颗小小的充电器开始。

所以,如果你经常出远门,或者仅仅是对氮化镓充满好奇,可以点击此处,去感受一下这款Anker氮化镓超能充。


参考资料:


1.90后移动互联网调研报告,360互联网安全中心,2021.5

2.解决电量焦虑,快充无线充关注度提升,东方财富证券,2020.7.2

3.氮化镓是如何让充电器变小的,厉害的朋友圈,2020.8.5


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