每臺(tái)電腦PC電源需要用到10-16顆氮化鎵功率器件，氮化鎵應(yīng)用下一個(gè)風(fēng)口也浮出水面。
隨著電腦CPU的“核戰(zhàn)”開(kāi)啟，對(duì)多核性能的追求，電腦的CPU從單核到雙核到四核再到現(xiàn)在YES的幾十核。功耗自然是水漲船高，對(duì)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(jìn)步的。
氮化鎵應(yīng)用新風(fēng)口
氮化鎵材料是第三代寬禁帶半導(dǎo)體，基于氮化鎵材料的開(kāi)關(guān)管，現(xiàn)在已經(jīng)在PD快充中普及。在快充中使用氮化鎵開(kāi)關(guān)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(jù)充電頭網(wǎng)的觀察，使用氮化鎵的PD快充，和常規(guī)Si MOS的適配器對(duì)比，同等輸出功率，體積只是常規(guī)Si MOS適配器的一半，可以說(shuō)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(kāi)關(guān)速度，可以通過(guò)提高電源的開(kāi)關(guān)頻率，以減小變壓器的體積。
并且氮化鎵器件的導(dǎo)阻低，效率高的優(yōu)勢(shì)，用在任何電源內(nèi)部，都可以降低散熱需求，無(wú)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(tǒng)Si MOS，體積可以大大減小。
接下來(lái)我們來(lái)說(shuō)說(shuō)臺(tái)式機(jī)電源。
臺(tái)式機(jī)電源的主流規(guī)格是ATX和SFX電源，ATX電源是多年來(lái)沿用下來(lái)的老標(biāo)準(zhǔn)，由于歷史遺留問(wèn)題，體積較大。但是ATX電源也有著更多的選擇，價(jià)位從百元到千元均有產(chǎn)品，功率選擇也很多，真正做到豐儉由人。
SFX電源是近年來(lái)興起的新電源尺寸，ATX標(biāo)準(zhǔn)尺寸150*140*86mm，體積為1806立方厘米，SFX標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)有的主板，也具有很好的擴(kuò)展性。
隨著現(xiàn)代電源拓?fù)涞氖褂煤驮阅艿倪M(jìn)化，SFX電源的功率已經(jīng)達(dá)到750W，已經(jīng)能夠滿(mǎn)足主流的裝機(jī)需求。同時(shí)現(xiàn)代人對(duì)電腦的體積也開(kāi)始有了要求，出現(xiàn)了很多小機(jī)箱，只有10升以下的體積。
這種機(jī)箱通常都采用SFX電源來(lái)縮小體積，滿(mǎn)足人們對(duì)減小機(jī)箱體積，減少空間占用。高性能小鋼炮的追求開(kāi)始普及，越來(lái)越多的人，也在裝機(jī)的時(shí)候選擇小型機(jī)箱。
截止目前，SFX電源的功率為750W，雖然說(shuō)這個(gè)功率已經(jīng)不算小，能滿(mǎn)足很多主流平臺(tái)的功率要求，但是相比ATX電源動(dòng)輒1KW以上的輸出功率，配合高性能平臺(tái)，還不是很夠用。那么我們有沒(méi)有辦法繼續(xù)提高SFX電源的輸出功率和轉(zhuǎn)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(jí)開(kāi)關(guān)管和同步整流管都使用氮化鎵開(kāi)關(guān)管來(lái)取代傳統(tǒng)的Si MOS，組成All GaN方案。
在電源中使用氮化鎵開(kāi)關(guān)管，除了受益于氮化鎵本身優(yōu)勢(shì)，減少損耗以外，All GaN方案，由于次級(jí)使用氮化鎵開(kāi)關(guān)管來(lái)進(jìn)行同步整流，降低了次級(jí)同步整流控制器的驅(qū)動(dòng)壓力，可大幅提高電源的工作頻率，從而縮小電源內(nèi)部變壓器等磁性元件的體積。
同時(shí)12V轉(zhuǎn)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(guò)降低損耗提高效率和提高頻率，降低電路板散熱要求，并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(kāi)關(guān)管，我們還有沒(méi)有其他辦法減小電源內(nèi)部元件的體積呢?通過(guò)我們的拆解，快充適配器的內(nèi)部，早年是需要多顆IC來(lái)實(shí)現(xiàn)PFC+LLC的功能。近年來(lái)推出了多款多合一的控制器，可以減小初級(jí)側(cè)的元件數(shù)量。我們?cè)赟FX電源中也可以使用這種多合一的控制器，來(lái)精簡(jiǎn)電源的初級(jí)，減小電路板的面積。
據(jù)Gartner統(tǒng)計(jì)，2020年全球PC出貨量同比增長(zhǎng)4.8%至2.75億臺(tái)，為十年來(lái)最高增幅。加上以往出貨量，全球至少有數(shù)十億臺(tái)電腦保有量。而這些個(gè)人電腦內(nèi)置的PC電源，也都有升級(jí)為氮化鎵功率器件的潛力。
80 PLUS計(jì)劃是由美國(guó)能源署出臺(tái)， Ecos Consulting 負(fù)責(zé)執(zhí)行的一項(xiàng)全國(guó)性節(jié)能現(xiàn)金獎(jiǎng)勵(lì)方案。起初為降低能耗，鼓勵(lì)系統(tǒng)商在生產(chǎn)臺(tái)式機(jī)或服務(wù)器時(shí)選配使用滿(mǎn)載、50%負(fù)載、20%負(fù)載效率均在80%以上和在額定負(fù)載條件下PF值大于0.9的電源。
電腦玩家對(duì)80 PLUS評(píng)分等級(jí)再熟悉不過(guò)了，根據(jù)轉(zhuǎn)換效率的高低，分別為白牌、銅牌、銀牌、金牌、鉑金、鈦金。
就拿對(duì)PC電源轉(zhuǎn)換效率最嚴(yán)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(xué)也要遵循能量守恒定律，96%相當(dāng)于能量達(dá)到了最大化的利用，當(dāng)然這個(gè)數(shù)字對(duì)于采用Si功率器件的傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)來(lái)講，就是不可能達(dá)到的高度。
但是，氮化鎵功率器件在PC電源上的應(yīng)用，就能輕松的達(dá)到80 PLUS鉑金標(biāo)準(zhǔn)，并有望集體挑戰(zhàn)鈦金標(biāo)準(zhǔn)。這讓消費(fèi)者以同樣的價(jià)格，買(mǎi)到了同等功率，但是效率顯著提升的高效PC電源。
如何實(shí)現(xiàn)
現(xiàn)在的大功率電源幾乎全部使用高效率LLC諧振架構(gòu)配合PFC做輸入功率因數(shù)校正，并且采用這一架構(gòu)的電源在快充上得到了普及。臺(tái)式機(jī)電源固定12V單電壓輸出，并且輸入具有PFC電路，輸入輸出電壓固定，所以整個(gè)工作環(huán)境非常適合高效的LLC諧振架構(gòu)。LLC諧振架構(gòu)屬于雙管半橋諧振，采用零電壓軟開(kāi)關(guān)，具有高效率優(yōu)勢(shì)，能滿(mǎn)足80Plus鈦金效率的嚴(yán)苛要求。
LLC+PFC combo
通過(guò)充電頭網(wǎng)對(duì)大功率氮化鎵快充的拆解，我們發(fā)現(xiàn)，在大功率適配器的初級(jí)中使用多合一的控制器，可以大幅簡(jiǎn)化初級(jí)側(cè)電路設(shè)計(jì)，一顆控制器完成初級(jí)側(cè)兩顆控制器的功能，并且多合一的控制器還內(nèi)置完善的保護(hù)功能，可實(shí)現(xiàn)精確迅速可靠的保護(hù)。同時(shí)多合一的控制器，支持LLC與PFC聯(lián)動(dòng)，部分多合一控制器還支持?jǐn)?shù)字控制，可實(shí)現(xiàn)更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)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 。
MPS HR1211將PFC控制器和LLC控制器整合到一個(gè)封裝里面，其數(shù)字內(nèi)核并可根據(jù)負(fù)載情況進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，獲得更高的輕載效率。芯片內(nèi)置多個(gè)獨(dú)立的ADC用于檢測(cè)輸入電壓，PFC輸出電壓，LLC反饋電壓和PFC峰值開(kāi)關(guān)電流。檢測(cè)數(shù)值送到HR1211內(nèi)置的數(shù)字控制內(nèi)核進(jìn)行比較，配合芯片內(nèi)專(zhuān)有的數(shù)字算法，進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋控制。HR1211支持多種完善的保護(hù)措施，如熱關(guān)斷、PFC開(kāi)環(huán)保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流限制和過(guò)流保護(hù)、超功率保護(hù)等多重保護(hù)。值得一提的是，HR1211空載待機(jī)功耗<100mW。
英飛凌IDP2308是一個(gè)數(shù)字多模式 PFC 和 LLC 控制器，集成了浮動(dòng)高側(cè)驅(qū)動(dòng)器和啟動(dòng)單元。數(shù)字引擎為多模式操作提供高級(jí)算法，以支持整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的最高效率，實(shí)現(xiàn)了全面且可配置的保護(hù)功能。DSO-14 封裝僅需要最少的外部組件。集成的高壓?jiǎn)?dòng)單元和先進(jìn)的突發(fā)模式可實(shí)現(xiàn)低待機(jī)功率。此外，集成了一個(gè)一次編程 (OTP) 單元，以提供一組廣泛的可配置參數(shù)，有助于簡(jiǎn)化相位設(shè)計(jì)。
NXP TEA2016AAT芯片內(nèi)部集成高壓?jiǎn)?dòng)，內(nèi)部集成LLC和PFC控制器以及對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器。TEA2016AAT集成X電容放電，正常輸出信號(hào)指示。芯片采用谷底/零電壓開(kāi)關(guān)以減小開(kāi)關(guān)損耗，全負(fù)載范圍內(nèi)都保持高轉(zhuǎn)換效率，并且符合最新的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，空載輸入功率<75mW。同時(shí)TEA2016AAT還具有完整全面的保護(hù)功能，包括電源欠壓保護(hù)，過(guò)功率保護(hù)，內(nèi)部和外部過(guò)熱保護(hù)，精確的過(guò)壓保護(hù)，過(guò)流保護(hù)和浪涌保護(hù)等保護(hù)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(shuō)是PC電源的標(biāo)配，必不可少。這也意味著每臺(tái)PC電源的PFC電路有望導(dǎo)入氮化鎵功率器件，并且最少需要用到2顆并聯(lián)。
隨著業(yè)界對(duì)電源功率密度的追求，以及氮化鎵功率器件的普及，主動(dòng)式PFC需要提高工作頻率來(lái)減小磁芯體積，這也為氮化鎵功率器件在PFC上的應(yīng)用創(chuàng)造有利條件。
開(kāi)關(guān)電源中，由于整流后采用大容量的濾波電容，呈現(xiàn)容性負(fù)載，而在電容充放電時(shí)會(huì)使電網(wǎng)中產(chǎn)生大量高次諧波，產(chǎn)生污染和干擾，人們開(kāi)始在開(kāi)關(guān)電源中引入PFC電路，功率在75W以上的開(kāi)關(guān)電源強(qiáng)制要求加入PFC電路以提高功率因數(shù)，修正負(fù)載特性。
PFC分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種。被動(dòng)式采用大電感串聯(lián)補(bǔ)償，主要缺點(diǎn)是體積大，且效率低。隨著近年來(lái)半導(dǎo)體器件迅猛發(fā)展，被動(dòng)式PFC被主動(dòng)式PFC全面取代。主動(dòng)式PFC采用PFC控制器、開(kāi)關(guān)管、電感和二極管組成升壓電路，具有體積小，輸入電壓范圍寬，功率因數(shù)補(bǔ)償效果好的優(yōu)點(diǎn)。
主動(dòng)式PFC通過(guò)控制器驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管升壓、二極管整流為主電容充電，根據(jù)電壓電流之間的相位差進(jìn)行功率因數(shù)補(bǔ)償。
GaN Driver
提到氮化鎵，就離不開(kāi)驅(qū)動(dòng)器了。氮化鎵固然具有種種優(yōu)勢(shì)，但是氮化鎵的驅(qū)動(dòng)要求相比傳統(tǒng)Si MOS要高一些。傳統(tǒng)的控制器可以直接驅(qū)動(dòng)MOS管，但是氮化鎵需要精確的電壓和高電流輸出能力來(lái)確保精確的開(kāi)通和關(guān)斷，傳統(tǒng)的控制器就不行了。
氮化鎵器件目前分為兩種，其中一種是內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器的，將驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)電路還有氮化鎵功率器件集成在一個(gè)封裝內(nèi)部。例如納微、意法半導(dǎo)體、英飛凌的集成功率芯片，只需要輸入控制信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)字輸入，功率輸出。無(wú)需外置驅(qū)動(dòng)器。
還有一種是以IDM氮化鎵功率器件原廠(chǎng)英諾賽科為代表，只生產(chǎn)氮化鎵芯片，封裝內(nèi)只有氮化鎵功率器件，需要外置驅(qū)動(dòng)器。但是這種方案比較靈活，兩種方案均有不同廠(chǎng)商使用。
氮化鎵功率器件
氮化鎵引入PD快充后，對(duì)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(tǒng)Si MOS，可明顯提高PFC和LLC級(jí)的轉(zhuǎn)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(jí)高壓與次級(jí)低壓均采用氮化鎵功率器件，組成適配器的初次級(jí)全套氮化鎵解決方案，在初級(jí)使用氮化鎵開(kāi)關(guān)管的基礎(chǔ)上，次級(jí)同步整流也使用氮化鎵，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，在高頻開(kāi)關(guān)下降低驅(qū)動(dòng)損耗，降低驅(qū)動(dòng)IC的溫升，從而提高效率，減小電源體積。
低壓同步整流可以使用貼片氮化鎵開(kāi)關(guān)管，使用常規(guī)貼片Si MOS的焊接方式散熱。在電路板上開(kāi)金屬化過(guò)孔，大面積敷銅露銅焊接。管子發(fā)熱通過(guò)銅箔與堆錫，傳導(dǎo)至散熱片散出。金屬化過(guò)孔設(shè)計(jì)在大功率電源上非常常見(jiàn)。
大功率臺(tái)式機(jī)電源為了簡(jiǎn)化次級(jí)設(shè)計(jì)并應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)格的效率要求，采用12V單電壓輸出，并配合同步整流，提高轉(zhuǎn)換效率。摒棄原有的磁穩(wěn)壓輸出電路，減少次級(jí)元件數(shù)量，減小體積的同時(shí)并具有更好的負(fù)載調(diào)整性。
12V大功率輸出滿(mǎn)足CPU和顯卡供電要求，電源內(nèi)置同步DC-DC將12V降壓為5V和3.3V，用于為主板、硬盤(pán)等外設(shè)供電。這三個(gè)改進(jìn)共同努力，提高了電源的效率，還簡(jiǎn)化了電源次級(jí)設(shè)計(jì)，減少元件數(shù)量，提高電源功率密度。架構(gòu)的升級(jí)，為電源小型化提供了可能，也成為了高端電源的標(biāo)配。
方案優(yōu)勢(shì)
在SFX電源中使用All GaN方案，首先可以提高電源的整體轉(zhuǎn)換效率。通過(guò)效率的提升，再輔以一體化PFC+LLC控制器加持，可以進(jìn)一步精簡(jiǎn)元件數(shù)量，提高電源的功率密度。畢竟在PD快充里面，使用氮化鎵以后，同功率對(duì)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(jí)開(kāi)關(guān)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(chǎng)得到驗(yàn)證，例如OPPO的餅干、聯(lián)想的口紅、LG的筆記本適配器。
SFX電源也是采用傳統(tǒng)風(fēng)扇吹風(fēng)散熱的冷卻方式，并且由于SFX電源尺寸的限制，風(fēng)扇直徑通常為8-9cm，相比傳統(tǒng)ATX電源12cm風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速較高，噪聲也相對(duì)明顯。
而采用氮化鎵功率器件后，轉(zhuǎn)換效率提升，電源損耗的功率降低，發(fā)熱量也就降低。內(nèi)部元件精簡(jiǎn)以后，內(nèi)部空間變大，使用更高效的散熱片。結(jié)合低發(fā)熱量和高效散熱，可以有效降低風(fēng)扇噪聲。
同時(shí)，電源內(nèi)部使用的電解電容等元件，也會(huì)隨著溫升的降低，延緩器件老化，有效延長(zhǎng)壽命。
PC電源最新規(guī)范ATX 12V only
ATX12VO是英特爾最新的電源標(biāo)準(zhǔn)，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(nèi)部的5V和3.3V轉(zhuǎn)換電路，電源只輸出12V，線(xiàn)路簡(jiǎn)潔。
今后的12VO電源只輸出主板一路，CPU供電一路，顯卡供電一路。外接機(jī)械硬盤(pán)，風(fēng)扇等外設(shè)從主板取電，對(duì)于輕度使用者來(lái)說(shuō)，不使用獨(dú)立供電的顯卡，硬盤(pán)采用NVME固態(tài)硬盤(pán)，電源只需為CPU和主板供電，即可滿(mǎn)足整機(jī)供電需求，可以做到非常簡(jiǎn)潔。
至于機(jī)械硬盤(pán)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(jī)械硬盤(pán)供電。ATX12VO標(biāo)準(zhǔn)將降壓電路從電源內(nèi)部移到主板上，避免了5V和3.3V輸出的線(xiàn)路損耗，至今傳統(tǒng)電源3.3V輸出還有采樣線(xiàn)檢測(cè)輸出端壓降。并且5V和3.3V因?yàn)殡妷旱停词构β什淮螅娏饕彩呛芸捎^的，再折合線(xiàn)損和連接器損耗，也有一部分損耗。
主板的變化相當(dāng)于在原有的CPU、內(nèi)存、南橋等供電上增添5V和3.3V供電，負(fù)責(zé)PCI接口，USB，外接硬盤(pán)，NVME SSD的供電，得益于現(xiàn)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(lái)由電源來(lái)輸出5V和3.3V，更加穩(wěn)定。
至于效率來(lái)說(shuō)，對(duì)于原有的高價(jià)電源，12V同步整流輸出，5V和3.3V開(kāi)關(guān)降壓架構(gòu)，可以說(shuō)是略微提升，5V和3.3V輸出連接器和導(dǎo)線(xiàn)的損耗去掉了。至于廉價(jià)電源，單獨(dú)12V輸出，省掉磁穩(wěn)壓環(huán)節(jié)，效率提升幅度大一些，從新裝機(jī)采用新硬件來(lái)說(shuō)，這個(gè)總歸是好事。
成本上來(lái)說(shuō)，電源的整體成本是下降的，PCB簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，輸出線(xiàn)纜減少。
全球已有多家氮化鎵功率器件原廠(chǎng)批量出貨，新標(biāo)準(zhǔn)的推行，對(duì)這些廠(chǎng)家是利好，順帶還有固態(tài)電容，電感等廠(chǎng)家，看漲看漲。
再來(lái)說(shuō)說(shuō)這個(gè)把降壓都集成在主板上的事，首先可以肯定的是，主板的價(jià)格是一定會(huì)提升的，畢竟增添了一部分供電元件在上面，設(shè)計(jì)和物料都要增加，但是換來(lái)的是節(jié)能和機(jī)箱內(nèi)部的整潔。另外可靠性的問(wèn)題，主板廠(chǎng)家的設(shè)計(jì)水平，個(gè)人覺(jué)得是要超過(guò)電源廠(chǎng)的，把降壓從電源內(nèi)部移出來(lái)到主板上，沒(méi)有問(wèn)題，另外主板上多相的CPU供電，復(fù)雜度和穩(wěn)定性要求遠(yuǎn)超過(guò)集成幾個(gè)降壓在主板上，CPU供電主板都搞得定，幾個(gè)降壓更不是問(wèn)題了。
最后來(lái)說(shuō)說(shuō)ATX12VO對(duì)于電源的影響。對(duì)于12V同步整流的電源來(lái)說(shuō)，可以去掉內(nèi)部12V降壓5V和3.3V的電路，去掉降壓小板并且去掉5V和3.3V濾波電容，簡(jiǎn)化電源結(jié)構(gòu)。而對(duì)于磁穩(wěn)壓的電源來(lái)說(shuō)，只做12V輸出，取消掉磁穩(wěn)壓和管控IC，可以一定程度提高效率，同時(shí)降低電源成本。
總結(jié)
更高的能耗要求是全行業(yè)不變的追求，我們看到氮化鎵器件應(yīng)用在PD快充上，通過(guò)效率的提升，減小了適配器的散熱需求。通過(guò)頻率的提升，縮小變壓器尺寸。通過(guò)以上兩點(diǎn)大大縮小適配器的體積。
ATX電源作為多年前的標(biāo)準(zhǔn)，市場(chǎng)普及率非常高。但隨著現(xiàn)在ITX主板和小機(jī)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(fā)展的必然。半導(dǎo)體材料性能的進(jìn)化，為我們的生活帶來(lái)更好的改變。All GaN的SFX方案，定能為日益普及的SFX電源帶來(lái)全新的動(dòng)力，全新的認(rèn)識(shí)。
Intel ATX12VO標(biāo)準(zhǔn)的推出，將占據(jù)電源空間的降壓小板，轉(zhuǎn)移到主板上，由主板來(lái)進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)換。大大簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝，同時(shí)對(duì)于主板來(lái)說(shuō)，不增加工藝難度，也是資源優(yōu)化的一種體現(xiàn)。
目前氮化鎵功率器件已經(jīng)在筆記本電腦充電器中大量采用，如戴爾、LG、 小米、聯(lián)想、華碩、尚巡等已經(jīng)批量出貨。今年下半年，我們還會(huì)看到氮化鎵在PC電源上的應(yīng)用，敬請(qǐng)期待。
