氮化鎵的下一個風口:PC電源

每台電腦PC電源需要用到10-16顆氮化鎵功率器件,氮化鎵應用下一個風口也浮出水面。隨著電腦CPU的「核戰」開啟,對多核性能的追求,電腦的CPU從單核到雙核到四核再到現在YES的幾十核。功耗自然是水漲船高,對電腦的電源自然提出了更多的要求,從功率到效率,從體積到功能,隨著CPU的提升,電源也是不斷進步的。

氮化鎵應用新風口

氮化鎵材料是第三代寬禁帶半導體,基於氮化鎵材料的開關管,現在已經在PD快充中普及。在快充中使用氮化鎵開關管,能讓我們的充電器變得更小巧,同等體積可以輸出更大功率。

根據充電頭網的觀察,使用氮化鎵的PD快充,和常規Si MOS的適配器對比,同等輸出功率,體積只是常規Si MOS適配器的一半,可以說氮化鎵的使用,真的非常明顯的縮小了適配器體積。

使用氮化鎵器件,氮化鎵器件具備的高開關速度,可以通過提高電源的開關頻率,以減小變壓器的體積。

並且氮化鎵器件的導阻低,效率高的優勢,用在任何電源內部,都可以降低散熱需求,無需使用散熱片等輔助散熱措施,減小電源體積。相比使用傳統Si MOS,體積可以大大減小。

接下來我們來說說台式機電源。

台式機電源的主流規格是ATX和SFX電源,ATX電源是多年來沿用下來的老標准,由於歷史遺留問題,體積較大。但是ATX電源也有著更多的選擇,價位從百元到千元均有產品,功率選擇也很多,真正做到豐儉由人。

氮化鎵的下一個風口:PC電源

SFX電源是近年來興起的新電源尺寸,ATX標准尺寸150*140*86mm,體積為1806立方厘米,SFX標准尺寸為125*100*63.5mm,794立方厘米,體積是ATX電源的一半還少。雖然體積小了很多,依然兼容現有的主板,也具有很好的擴展性。

隨著現代電源拓撲的使用和元件性能的進化,SFX電源的功率已經達到750W,已經能夠滿足主流的裝機需求。同時現代人對電腦的體積也開始有了要求,出現了很多小機箱,只有10升以下的體積。

這種機箱通常都採用SFX電源來縮小體積,滿足人們對減小機箱體積,減少空間占用。高性能小鋼炮的追求開始普及,越來越多的人,也在裝機的時候選擇小型機箱。

截止目前,SFX電源的功率為750W,雖然說這個功率已經不算小,能滿足很多主流平台的功率要求,但是相比ATX電源動輒1KW以上的輸出功率,配合高性能平台,還不是很夠用。那麼我們有沒有辦法繼續提高SFX電源的輸出功率和轉換效率呢?

辦法一定是有的,我們可以把氮化鎵器件引入到SFX電源中,在初級開關管和同步整流管都使用氮化鎵開關管來取代傳統的Si MOS,組成All GaN方案。

在電源中使用氮化鎵開關管,除了受益於氮化鎵本身優勢,減少損耗以外,All GaN方案,由於次級使用氮化鎵開關管來進行同步整流,降低了次級同步整流控制器的驅動壓力,可大幅提高電源的工作頻率,從而縮小電源內部變壓器等磁性元件的體積。

同時12V轉5V和3.3V的同步整流降壓電路也可以使用氮化鎵器件,通過降低損耗提高效率和提高頻率,降低電路板散熱要求,並且縮小磁性元件體積。

氮化鎵讓PC電源小巧高效

除了在電源中使用氮化鎵開關管,我們還有沒有其他辦法減小電源內部元件的體積呢?通過我們的拆解,快充適配器的內部,早年是需要多顆IC來實現PFC+LLC的功能。近年來推出了多款多合一的控制器,可以減小初級側的元件數量。我們在SFX電源中也可以使用這種多合一的控制器,來精簡電源的初級,減小電路板的面積。

氮化鎵的下一個風口:PC電源

據Gartner統計,2020年全球PC出貨量同比增長4.8%至2.75億台,為十年來最高增幅。加上以往出貨量,全球至少有數十億台電腦保有量。而這些個人電腦內置的PC電源,也都有升級為氮化鎵功率器件的潛力。

80 PLUS計劃是由美國能源署出台, Ecos Consulting 負責執行的一項全國性節能現金獎勵方案。起初為降低能耗,鼓勵系統商在生產台式機或伺服器時選配使用滿載、50%負載、20%負載效率均在80%以上和在額定負載條件下PF值大於0.9的電源。

電腦玩家對80 PLUS評分等級再熟悉不過了,根據轉換效率的高低,分別為白牌、銅牌、銀牌、金牌、鉑金、鈦金。

氮化鎵的下一個風口:PC電源

就拿對PC電源轉換效率最嚴苛的80 PLUS鈦金為例,要求10%、20%、50%、100%的效率分別為90%、94%、96%、92%。電學也要遵循能量守恆定律,96%相當於能量達到了最大化的利用,當然這個數字對於採用Si功率器件的傳統開關電源技術來講,就是不可能達到的高度。

但是,氮化鎵功率器件在PC電源上的應用,就能輕松的達到80 PLUS鉑金標准,並有望集體挑戰鈦金標准。這讓消費者以同樣的價格,買到了同等功率,但是效率顯著提升的高效PC電源。

如何實現

現在的大功率電源幾乎全部使用高效率LLC諧振架構配合PFC做輸入功率因數校正,並且採用這一架構的電源在快充上得到了普及。台式機電源固定12V單電壓輸出,並且輸入具有PFC電路,輸入輸出電壓固定,所以整個工作環境非常適合高效的LLC諧振架構。LLC諧振架構屬於雙管半橋諧振,採用零電壓軟開關,具有高效率優勢,能滿足80Plus鈦金效率的嚴苛要求。

LLC+PFC combo

通過充電頭網對大功率氮化鎵快充的拆解,我們發現,在大功率適配器的初級中使用多合一的控制器,可以大幅簡化初級側電路設計,一顆控制器完成初級側兩顆控制器的功能,並且多合一的控制器還內置完善的保護功能,可實現精確迅速可靠的保護。同時多合一的控制器,支持LLC與PFC聯動,部分多合一控制器還支持數字控制,可實現更好的動態響應和更低的空載功耗。

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

氮化鎵的下一個風口:PC電源

MPS HR1211將PFC控制器和LLC控制器整合到一個封裝里面,其數字內核並可根據負載情況進行聯動控制,獲得更高的輕載效率。晶片內置多個獨立的ADC用於檢測輸入電壓,PFC輸出電壓,LLC反饋電壓和PFC峰值開關電流。檢測數值送到HR1211內置的數字控制內核進行比較,配合晶片內專有的數字算法,進行實時反饋控制。HR1211支持多種完善的保護措施,如熱關斷、PFC開環保護、過壓保護、過流限制和過流保護、超功率保護等多重保護。值得一提的是,HR1211空載待機功耗<100mW。

氮化鎵的下一個風口:PC電源

英飛凌IDP2308是一個數字多模式 PFC 和 LLC 控制器,集成了浮動高側驅動器和啟動單元。數字引擎為多模式操作提供高級算法,以支持整個負載范圍內的最高效率,實現了全面且可配置的保護功能。DSO-14 封裝僅需要最少的外部組件。集成的高壓啟動單元和先進的突發模式可實現低待機功率。此外,集成了一個一次編程 (OTP) 單元,以提供一組廣泛的可配置參數,有助於簡化相位設計。

氮化鎵的下一個風口:PC電源

NXP TEA2016AAT晶片內部集成高壓啟動,內部集成LLC和PFC控制器以及對應的驅動器。TEA2016AAT集成X電容放電,正常輸出信號指示。晶片採用谷底/零電壓開關以減小開關損耗,全負載范圍內都保持高轉換效率,並且符合最新的節能標准,空載輸入功率<75mW。同時TEA2016AAT還具有完整全面的保護功能,包括電源欠壓保護,過功率保護,內部和外部過熱保護,精確的過壓保護,過流保護和浪涌保護等保護功能。

PFC電路

PC電源通常都是300W到1000W的功率范圍,PFC電路可以說是PC電源的標配,必不可少。這也意味著每台PC電源的PFC電路有望導入氮化鎵功率器件,並且最少需要用到2顆並聯。

氮化鎵的下一個風口:PC電源

隨著業界對電源功率密度的追求,以及氮化鎵功率器件的普及,主動式PFC需要提高工作頻率來減小磁芯體積,這也為氮化鎵功率器件在PFC上的應用創造有利條件。

開關電源中,由於整流後採用大容量的濾波電容,呈現容性負載,而在電容充放電時會使電網中產生大量高次諧波,產生污染和干擾,人們開始在開關電源中引入PFC電路,功率在75W以上的開關電源強制要求加入PFC電路以提高功率因數,修正負載特性。

PFC分為被動式和主動式兩種。被動式採用大電感串聯補償,主要缺點是體積大,且效率低。隨著近年來半導體器件迅猛發展,被動式PFC被主動式PFC全面取代。主動式PFC採用PFC控制器、開關管、電感和二極體組成升壓電路,具有體積小,輸入電壓范圍寬,功率因數補償效果好的優點。

主動式PFC通過控制器驅動開關管升壓、二極體整流為主電容充電,根據電壓電流之間的相位差進行功率因數補償。

GaN Driver

提到氮化鎵,就離不開驅動器了。氮化鎵固然具有種種優勢,但是氮化鎵的驅動要求相比傳統Si MOS要高一些。傳統的控制器可以直接驅動MOS管,但是氮化鎵需要精確的電壓和高電流輸出能力來確保精確的開通和關斷,傳統的控制器就不行了。

氮化鎵的下一個風口:PC電源

氮化鎵器件目前分為兩種,其中一種是內置驅動器的,將驅動器和保護電路還有氮化鎵功率器件集成在一個封裝內部。例如納微、意法半導體、英飛凌的集成功率晶片,只需要輸入控制信號,即可實現數字輸入,功率輸出。無需外置驅動器。

氮化鎵的下一個風口:PC電源

還有一種是以IDM氮化鎵功率器件原廠英諾賽科為代表,只生產氮化鎵晶片,封裝內只有氮化鎵功率器件,需要外置驅動器。但是這種方案比較靈活,兩種方案均有不同廠商使用。

氮化鎵功率器件

氮化鎵引入PD快充後,對充電器的效率和體積,觀感提升非常明顯。氮化鎵器件使用在SFX電源中,相比傳統Si MOS,可明顯提高PFC和LLC級的轉換效率,在相同功率下減小散熱片面積,或在相同的散熱片面積下提高輸出功率。

初級高壓與次級低壓均採用氮化鎵功率器件,組成適配器的初次級全套氮化鎵解決方案,在初級使用氮化鎵開關管的基礎上,次級同步整流也使用氮化鎵,強強聯手,在高頻開關下降低驅動損耗,降低驅動IC的溫升,從而提高效率,減小電源體積。

氮化鎵的下一個風口:PC電源

低壓同步整流可以使用貼片氮化鎵開關管,使用常規貼片Si MOS的焊接方式散熱。在電路板上開金屬化過孔,大面積敷銅露銅焊接。管子發熱通過銅箔與堆錫,傳導至散熱片散出。金屬化過孔設計在大功率電源上非常常見。

大功率台式機電源為了簡化次級設計並應對日趨嚴格的效率要求,採用12V單電壓輸出,並配合同步整流,提高轉換效率。摒棄原有的磁穩壓輸出電路,減少次級元件數量,減小體積的同時並具有更好的負載調整性。

12V大功率輸出滿足CPU和顯卡供電要求,電源內置同步DC-DC將12V降壓為5V和3.3V,用於為主板、硬碟等外設供電。這三個改進共同努力,提高了電源的效率,還簡化了電源次級設計,減少元件數量,提高電源功率密度。架構的升級,為電源小型化提供了可能,也成為了高端電源的標配。

方案優勢

在SFX電源中使用All GaN方案,首先可以提高電源的整體轉換效率。通過效率的提升,再輔以一體化PFC+LLC控制器加持,可以進一步精簡元件數量,提高電源的功率密度。畢竟在PD快充里面,使用氮化鎵以後,同功率對比,體積都縮小一半多了。

在PC電源中使用氮化鎵器件,PFC需要使用2顆,初級開關需要4-8顆,輸出同步整流也需要4-8顆。氮化鎵器件的可靠性,已在諸多大廠得到驗證,例如OPPO的餅干、聯想的口紅、LG的筆記本適配器。

SFX電源也是採用傳統風扇吹風散熱的冷卻方式,並且由於SFX電源尺寸的限制,風扇直徑通常為8-9cm,相比傳統ATX電源12cm風扇的設計,風扇轉速較高,噪聲也相對明顯。

而採用氮化鎵功率器件後,轉換效率提升,電源損耗的功率降低,發熱量也就降低。內部元件精簡以後,內部空間變大,使用更高效的散熱片。結合低發熱量和高效散熱,可以有效降低風扇噪聲。

同時,電源內部使用的電解電容等元件,也會隨著溫升的降低,延緩器件老化,有效延長壽命。

PC電源最新規范ATX 12V only

ATX12VO是英特爾最新的電源標准,意思就是電源只輸出12V為主板供電。12V(Only)電源最直觀的改變就是去掉了電源內部的5V和3.3V轉換電路,電源只輸出12V,線路簡潔。

氮化鎵的下一個風口:PC電源

今後的12VO電源只輸出主板一路,CPU供電一路,顯卡供電一路。外接機械硬碟,風扇等外設從主板取電,對於輕度使用者來說,不使用獨立供電的顯卡,硬碟採用NVME固態硬碟,電源只需為CPU和主板供電,即可滿足整機供電需求,可以做到非常簡潔。

氮化鎵的下一個風口:PC電源

至於機械硬碟所需的5V,由主板上的降壓電路將12V降壓成5V輸出,主板上輸出5V和12V為機械硬碟供電。ATX12VO標准將降壓電路從電源內部移到主板上,避免了5V和3.3V輸出的線路損耗,至今傳統電源3.3V輸出還有采樣線檢測輸出端壓降。並且5V和3.3V因為電壓低,即使功率不大,電流也是很可觀的,再折合線損和連接器損耗,也有一部分損耗。

氮化鎵的下一個風口:PC電源

主板的變化相當於在原有的CPU、記憶體、南橋等供電上增添5V和3.3V供電,負責PCI接口,USB,外接硬碟,NVME SSD的供電,得益於現今同步整流降壓的成熟,主板上增加供電電路,成本也可以得到很好的控制,相比起原來由電源來輸出5V和3.3V,更加穩定。

至於效率來說,對於原有的高價電源,12V同步整流輸出,5V和3.3V開關降壓架構,可以說是略微提升,5V和3.3V輸出連接器和導線的損耗去掉了。至於廉價電源,單獨12V輸出,省掉磁穩壓環節,效率提升幅度大一些,從新裝機採用新硬體來說,這個總歸是好事。

成本上來說,電源的整體成本是下降的,PCB簡化設計,輸出線纜減少。

全球已有多家氮化鎵功率器件原廠批量出貨,新標準的推行,對這些廠家是利好,順帶還有固態電容,電感等廠家,看漲看漲。

再來說說這個把降壓都集成在主板上的事,首先可以肯定的是,主板的價格是一定會提升的,畢竟增添了一部分供電元件在上面,設計和物料都要增加,但是換來的是節能和機箱內部的整潔。另外可靠性的問題,主板廠家的設計水平,個人覺得是要超過電源廠的,把降壓從電源內部移出來到主板上,沒有問題,另外主板上多相的CPU供電,復雜度和穩定性要求遠超過集成幾個降壓在主板上,CPU供電主板都搞得定,幾個降壓更不是問題了。

最後來說說ATX12VO對於電源的影響。對於12V同步整流的電源來說,可以去掉內部12V降壓5V和3.3V的電路,去掉降壓小板並且去掉5V和3.3V濾波電容,簡化電源結構。而對於磁穩壓的電源來說,只做12V輸出,取消掉磁穩壓和管控IC,可以一定程度提高效率,同時降低電源成本。

充電頭網總結

更高的能耗要求是全行業不變的追求,我們看到氮化鎵器件應用在PD快充上,通過效率的提升,減小了適配器的散熱需求。通過頻率的提升,縮小變壓器尺寸。通過以上兩點大大縮小適配器的體積。

ATX電源作為多年前的標准,市場普及率非常高。但隨著現在ITX主板和小機箱占有率的提升,SFX漸成氣候。

如今在高能效電源上同步整流的普及,既是效率要求,也是發展的必然。半導體材料性能的進化,為我們的生活帶來更好的改變。All GaN的SFX方案,定能為日益普及的SFX電源帶來全新的動力,全新的認識。

英特爾ATX12VO標準的推出,將占據電源空間的降壓小板,轉移到主板上,由主板來進行降壓轉換。大大簡化了電源設計和生產工藝,同時對於主板來說,不增加工藝難度,也是資源優化的一種體現。

目前氮化鎵功率器件已經在筆記本電腦充電器中大量採用,如DELL、LG、 小米、聯想、華碩、尚巡等已經批量出貨。今年下半年,我們還會看到氮化鎵在PC電源上的應用,敬請期待。

來源:cnBeta