Заряжаем гаджеты в XXI веке
Стандартные пол-ампера от USB 2.0 когда-то казались абсолютно разумной величиной. А мобильники (да и смартфоны) заряжались всю ночь. Сейчас скорость зарядки гаджета меньше 50% в час кажется нам каким-то архаизмом и дикостью. Как и огромные блоки питания размером с полтелефона. Во многом мощный и компактный зарядник стал доступен благодаря одному материалу — нитриду галлия. О нём сегодня и поговорим.
Знакомьтесь, нитрид галлия. Правда, красивый? Изображение: Solid_State / Wikimedia Commons
На заре становления «Хабра» мы восхищались смартфоном HTC HD2: его 4,3 дюйма диагонали казались чем-то невероятным, а батарейка на 1200 мА·ч вызывала искреннее уважение. Сегодня, конечно, эти цифры вызывают лишь улыбку: экраны флагманов стали больше вдвое, а аккумуляторы — втрое. Вместе с ростом производительности, числа камер и объёмов АКБ растёт и популярность технологии быстрой зарядки, что и неудивительно — если для батареи на 1500–1700 мА·ч было достаточно и адаптера на 5 Вт, то к настоящему времени на рынке полно смартфонов с аккумуляторами более чем на 4500 мА·ч.
Частично решили проблему стандарты Quick Charge и Power Delivery, а также большое количество проприетарных вариаций на тему ускоренной зарядки от производителей смартфонов. Само собой, это требовало специальных зарядных контроллеров и сложных алгоритмов (никто же не хочет устроить короткое замыкание в литиевой батарейке, как было с Galaxy Note 7). Все способы ускоренного пополнения заряда в том или ином виде опирались на увеличение мощности зарядного устройства: через повышение напряжения или рабочего тока. Побочным эффектом таких нововведений стал рост рабочих температур элементов цепей и размеров БП. И тут на выручку пришёл новый материал — нитрид галлия (GaN), который уже использовался в полупроводниках и микроэлектронике.
Что за нитрид галлия и зачем он нужен?
В большинстве текущих полупроводниковых элементов уже не первое десятилетие используется кремний — один из самых распространённых элементов таблицы Менделеева. С ним сравнительно легко работать и в большинстве случаев его характеристик достаточно для обеспечения рабочих свойств выпускаемой продукции. К сожалению, существуют и сферы применения, где возможности этого материала стали «бутылочным горлышком».
В двух словах полезность нитрида галлия можно описать следующим примером: в импульсном блоке питания целевое напряжение получается многократным включением и выключением транзисторов (пропускающих или отключающих ток в цепи) с заданным таймингом. Так вот, при переключении классического кремниевого транзистора из проводящего состояния в изолирующее выделяется большое количество тепла, что снижает эффективность работы и ограничивает применение таких элементов в мощных источниках питания.
Синий полупроводниковый лазер обычно использует нитрид галлия или его сплав с индием для получения нужной длины волны. Фото: Pang Kakit / Wikimedia Commons
Основное преимущество нитрида галлия заключается в ключевой характеристике полупроводника: ширине запрещённой зоны. В широком понимании «запрещённая зона» показывает разницу в энергиях электрона, которая отличает проводящее ток состояние от валентного (т.е. непроводящего). С ростом температур меняются характеристики полупроводника, т.к. тепловые колебания атомов материала повышают энергию электронов и «выбивают» их в проводящее состояние.
Особенностью GaN-транзисторов является крайне широкая запрещённая зона — 3,40 эВ против 1,12 эВ у кремниевых аналогов. В цепях питания (которые особенно подвержены нагреву в процессе работы) подобное преимущество позволяет сохранять постоянные характеристики работы и не снижать эффективность при более высоких температурах. Помимо этого, благодаря высокой плотности носителей заряда GaN-транзисторы выдерживают гораздо большие токи. Да и в целом кристаллы нитрида галлия сами по себе более устойчивы к воздействию высоких температур.
Всё новое — хорошо забытое старое
Первые исследования его свойств начались ещё в 40-х годах XX века, а уже в середине 90-х годов прошлого столетия он стал рассматриваться как один из самых перспективных оптоэлектронных материалов. Стоит отметить, что именно в оптоэлектронике он и нашёл широкое применение в первую очередь: нитрид галлия — одно из немногих веществ, способных генерировать излучение в синем спектре. Поэтому он применяется, например, в тех самых лазерах для Bluray-приводов. А ещё его хотят использовать в устойчивых к УФ-излучению солнечных батареях, но об этом можно рассказать отдельную историю.
Структуры на основе GaN оказались пригодны не только для оптических приборов. Описанные выше характеристики оказались полезными для разработки компонентной базы силовой и СВЧ‑электроники, включая транзисторы. Ещё одним немаловажным нюансом, который позволил нитриду галлия всерьёз претендовать на всеобщее признание, стала цена и безопасность: занимавший ранее его место арсенид галлия (соединение галлия и мышьяка) чрезвычайно сложно производить, вдобавок GaAs может образовывать токсические и канцерогенные соединения.
Микрофотография скоростного GaN-транзистора, работающего с напряжением 100 вольт. Фото: Fraunhofer IAF
Да, сегодня кремниевые полупроводники обходятся дешевле за счёт того что сам процесс уже досконально изучен, производство отлажено, а сырьё гораздо доступнее. Однако даже с такими оговорками разница в стоимости не достигает значимых величин и слабо влияет на цену конечной продукции. Если же говорить о перспективе, то широкомасштабный переход на GaN и вовсе сулит экономию средств за счёт снижения электропотребления на 10–20% в сравнении с электроникой с кремниевыми транзисторами.
Практическое применение
Так как единственный способ снизить нагрев транзисторов — заставить их работать не в полную силу (т.е. взять элементную базу с большим запасом) мощные импульсные источники питания на основе кремния получаются внушительных размеров. Способность GaN-транзисторов работать при высоких температурах и компактность таких моделей позволяет значительно снизить необходимый объём корпуса для размещения и охлаждения начинки. Например, размеры адаптера питания для ноутбука или смартфона можно уменьшить примерно вдвое при сохранении характеристик. Обратное тоже верно: можно сохранить общий размер ЗУ и улучшить его характеристики.
И действительно компактнее — при той же мощности. Фото: Anker
Причины, по которым это становится возможным, лежат на поверхности. Высокая плотность и широкая запрещённая зона нитрида галлия позволяют значительно повысить КПД конечных устройств. Если для кремниевых транзисторов даже показатель в 95% считается очень достойным, то для решений на базе GaN он достигает 98–99%. С учётом мощности современных адаптеров питания это значительно снижает количество выделяемого тепла, выступающего ограничителем для режимов работы кремниевых полупроводников. Да и упомянутая способность GaN-компонентов работать при более высоких температурах позволяет выжать ещё немного мощности при прочих равных.
Разумеется, переход на нитрид галлия не означает какую-то революцию, особенно если рассматривать его именно в разрезе зарядных устройств для гаджетов. По большому счёту, такой «апгрейд» лишь приближают их к возможностям и потребностям современных смартфонов, которые стали остро нуждаться в адаптерах высокой мощности. Поэтому нет ничего удивительного в том, что, производители мобильной техники не смогли пройти мимо перспективного материала.
Изображение: Anker
Практически все крупные вендоры на данный момент заняты собственными исследованиями в области применения GaN в зарядных устройствах для своих аппаратов, и её грядущее массовое применение не вызывает сомнений. Впрочем, для того, чтобы лично оценить прелести адаптеров питания на базе нитрида галлия, не обязательно ждать несколько лет. Уже сейчас на рынке присутствуют зарядные устройства Anker, которые уже несколько лет используют преимущества GaN.
Anker и GaN
Компания Anker уже долгое время специализируется на разработке и производстве зарядных устройств, и пройти мимо столь перспективного материала нам было просто невозможно. Оценка перспектив нитрида галлия позволила не только применить его при создании мощных зарядных устройств, но и создать по-настоящему универсальный блок питания, подходящий и для смартфонов, и для лэптопов с питанием по Type-C. Добавьте сюда поддержку сразу нескольких протоколов быстрой зарядки — и подобным БП пользователь сможет зарядить практически любой гаджет быстро и эффективно вне зависимости от бренда.
Результатом работы наших инженеров стало появление целой линейки адаптеров Anker Atom с применением GaN-транзисторов в силовой части. Всё началось с единственного зарядника в 2017 году — а сейчас семейство расширилось и включает сразу несколько решений. Например, Anker Atom PD1, при габаритах сопоставимых со стандартными моделями зарядников на 10 Вт, обеспечивает выходную мощность до 30 Вт и совместим с технологией Power Delivery. Он оптимизирован для работы с актуальными моделями iPhone и Samsung, позволяя заряжать эти гаджеты на повышенной скорости. В сравнении со штатным зарядным устройством того же iPhone XS он обеспечивает более чем двукратный прирост скорости зарядки. Его же можно использовать и для зарядки лэптопов MacBook Pro и Air.
ЗУ PowerPort Atom III на 60 Вт с двумя разъёмами Изображение: anker.com
Для пользователей более прожорливых ноутбуков есть продвинутая модель — Anker Atom PD2. Она несколько крупнее миниатюрного Atom PD1, но способна выдавать уже до 60 Вт мощности при зарядке одного устройства. Или обеспечить сразу пару гаджетов питанием до 30 Вт — спасибо двум разъёмам на корпусе и схеме параллельного питания.
Кроме того, стоит обратить внимание на зарядное устройство Atom III с мощностью 60 Вт. Оно также представлено в двух версиях — с одним и двумя разъёмами и поддержкой технологий быстрой зарядки трёх популярных форматов: Apple Fast Charging, Samsung Fast Charging и USB-C Power Delivery.
Как работают маленькие, но супермощные GAN-зарядки для iPhone и Mac. За ними будущее
В закладки
Совсем недавно практически все айфоны комплектовались устаревшей и достаточно скромной зарядкой мощностью 5 Вт. Чтобы полностью зарядить современные модели смартфонов (особенно модели Plus или Max) требовалось 3-4 часа или даже больше.
Флагманские модели 2019 года iPhone 11 Pro/11 Pro Max комплектовались гораздо более мощными и быстрыми зарядками мощностью 18 Вт. Прошлой осенью купертиновцы и вовсе отказались от этого “неэкологичного” аксессуара и белый блочок пропал из коробки всех актуальных моделей iPhone.
Сейчас мощный блок питания можно найти в комплекте с любым iPad. Даже самая базовая модель 2020 года комплектуется адаптером питания 20 Вт, а стоит в несколько раз меньше iPhone. Кроме того мощный и быстрый блок питания есть у каждого владельца MacBook, но к нему потребуется докупить кабель Type-С на Lightning.
В модельном ряду блоков питания Apple присутствуют зарядки с максимальной мощностью до 96 Вт. Правда стоят такие аксессуары недешево, самая навороченная модели обойдется в 7900 руб. При этом никакого выигрыша по сравнению с 20-ваттной зарядкой при подпитке батареи iPhone вы не получите. Это уже давно доказали на практике.
В любом случае адаптеры Apple являются достаточно крупными и громоздкими, а еще не имеют второго порта для одновременной зарядки двух подключенных устройств. Размер блоков напрямую обусловлен уже не самой перспективной технологией на рынке, но такие адаптеры кладут в комплект все производители электроники.
Альтернатива современным зарядкам уже существует
Сравнение параметров приборов на основе нитрида галлия (синий), кремния (серый) и арсенида галлия (зеленый)
Основой для всей современной микроэлектроники является кремний. Этот неметаллический элемент является вторым по распространенности на нашей планете после кислорода, но в чистом виде встречается крайне редко.
Благодаря своим свойствам кремний используется при производстве многих смесей, соединений и сложных элементов. Низкое сопротивление и хорошая проводимость тока позволяют кремнию занимать позицию главного полупроводника на Земле. Элемент несложно добывать, ученые давно привыкли работать с ним и могут создавать из кремния упорядоченные кристаллы. С этим элементом человечество успешно взаимодействует почти 200 лет.
Кремний на данный момент плотно интегрирован в область производства и эксплуатации электроники, но ему на пятки уже наступает нитрид галлия (GaN). На данный момент он более сложен в производстве и менее изучен. Перспективное соединение обладает лучшей электропроводностью, но первый транзистор на основе нитрида галлия удалось создать лишь в 2008 году.
Уже сейчас устройства на основе GaN выдерживают более высокое напряжение и проводят ток с большей скоростью, чем аналоги на основе кремния. Самым наглядным для потребителя примером применения нитрида галлия являются GaN зарядки для мобильной электроники.
Устройства являются более компактными при одинаковых показателях мощности, лучше выдерживают нагрев до высоких температур и являются более долговечными. Так транзисторы на основе GaN с легкостью выдерживают нагрев до 300°C, в то же время аналогичные компоненты на основе кремния с трудом переживут температуру в районе 100°C.
Кстати, этот же материал уже широко применяется в фотонике. Нитрид галлия, например, лежит в основе технологии чтения и записи Blu-ray дисков, применяется для создания миниатюрных лазерных лучей и микроскопов нового поколения.
Что мы получим с переходом на GaN
Если подытожить основные преимущества применения нитрида галлия по сравнению с кремнием применительно к зарядным устройствам, то получим следующие бонусы:
► работа в более высоком температурном диапазоне, а значит – нет нужды в массивном охлаждении;
► напряжение пробоя у GaN-транзисторов в несколько раз выше, чем у кремниевых, это обеспечит лучшую защиту компонентов и самого устройства;
► сопротивление у элементов из нитрида галлия ниже, чем у кремниевых;
► время переключения GaN-транзисторов почти в 10 раз быстрее, чем у кремниевых.
Все это уже сейчас позволяет создавать более компактные и при этом более эффективные зарядные устройства для мобильных гаджетов на основе GaN.
Для примера, сравните три практически равные по мощности зарядки:
◈ Слева расположен самый мощный блок питания в линейке Apple – зарядка для 16-дюймового Macbook Pro мощностью 96 Вт. Он оснащен всего одним портом Type-С, зарядить два гаджета одновременно не получится.
◈ Далее располагается 100-ваттный блок питания GaN, в котором имеется не один, а сразу четыре порта. Два Type-С с поддержкой Power Delivery и еще пара USB-A портов 5В 2.4А каждый.
◈ Самый маленький блок справа это еще одна GaN-зарядка на 100 Вт, но с таким же единственным портом, как в блоке питания Apple. Размеры и цена на оба адаптера стороннего производителя примерно в 1.5-2 раза ниже, чем у яблочного аксессуара.
Пользователь либо получит более компактное зарядное устройство с богатым набором разъемов либо в два раза меньший блок питания с тем же набором портов, что и у Apple. Это касается не только мощных блоков на 100 Вт, но и более простых адаптеров питания.
Так выглядит самый компактный зарядник из линейки GaN от Baseus. Он заменит адаптер питания из комплекта iPhone 11 Pro или актуальных iPad. Мощность блока питания 20 Вт, а размеры при этом составляют 30х30х71 мм.
Параметры выходного Type-С разъема: 5V/3A, 9В/2A, 9В/2.2A, 12V/1.67A, 15V/1.3A.
◉ Купить Зарядное устройство Baseus Type-C 20 Вт – от 907 руб.
А это уже более мощная зарядка на 65 Вт. Любопытно, что размеры блока питания всего на несколько миллиметров больше предыдущего и составляют 30х35х100 мм.
Этот блок питания комплектуется одним портом Type-A и одним или парой мощных Type-C. Последние обладают такими параметрами: 5V/3A, 9V/3A, 12V/3A, 15V/3A, 20V/3.25A. Получится подпитать не только iPhone и iPad, но и зарядить батарею MacBook.
◉ Купить Зарядное устройство Baseus Type-C 65 Вт: от 2037 руб.
Это одно из самых мощных решений на рынке – GaN зарядка на 120 Вт. Здесь тоже пара портов Type-C с такими параметрами выхода: 3,3-20V/5A, 5V/3A, 9В/3A, 12V/3A, 15V/3A, 20V/5A. От такого зарядника можно одновременно подпитывать пару 13-дюймовых моделей MacBook или заряжать сразу 16-дюймовый MacBook Pro и любой iPad.
Габариты зарядки при этом составляют 95х55х30 мм, что заметно меньше блока питания Apple на 96 Вт.
◉ Купить Зарядное устройство Baseus Type-C 120 Вт: от 3482 руб.
В арсенале Baseus и других производителей есть большое количество аналогичных моделей с разным набором портов и любой нужной мощности.
Все описанные модели поддерживают стандарты быстрой зарядки Power Delivery и Quick Charge. Это самые распространенные протоколы, которы подойдут как для техники Apple, так и для гаджетов других производителей.
Какую GaN-зарядку выбрал для себя
Сам уже полгода пользуюсь другой моделью от Baseus. Это мощное зарядное устройство на 45 Вт и PowerBank – два в одном.
Практически каждый день оказываюсь у дивана или кровати с разряженным смартфоном. Розетка находится далековато и на помощь приходит старенький PowerBank от Xiaomi. Устройство несколько лет исправно выполняет свои обязанности и не думает уходить на покой. При этом “банка” больше iPhone, в несколько раз толще и тяжелее смартфона.
Главный недостаток такого устройства – примерно раз в неделю оно оказывается полностью разряженным, а затем всю ночь пополняет запас энергии. То я, то жена регулярно забываем вовремя подключить PowerBank к розетке.
С новым аппаратом от Baseus таких проблем не возникает. Устройство постоянно подключено к сети и выполняет роль зарядки, а при необходимости отключается от розетки и превращается в переносной PowerBank. Его можно взять с собой на диван или бросить в сумку при выходе из дома, гаджет при этом всегда будет полностью заряжено и готово к работе.
Емкость встроенного аккумулятора составляет 10 000 мАч, этого хватит на 4-5 зарядок смартфона, в зависимости от модели. Если раньше приходилось регулярно помнить о зарядке PowerBank, то сейчас этой проблемы нет совсем.
◉ Купить Зарядное устройство Baseus Type-C 45 Вт 10000 мАч: от 2973 руб.
Вот такие перспективные и прогрессивные разработки уже существуют на рынке потребительской электроники.
Остается ждать, пока подобные блоки питания будут производить и продавать купертиновцы. Только представьте, как бы здорово смотрелся мощный адаптер на 120 Вт в комплекте с MacBook, от которого можно заряжать три или четыре гаджета одновременно.
В закладки
Почему быстрые зарядные устройства теперь утверждают, что это GaN и какую роль это вещество играет в зарядных устройствах?
Мы слишком много слышали о GaN, китайском названии нитрида галлия. Это началось с сумасшедших инноваций в индустрии зарядных устройств за последние два года. Похоже, что с какого-то момента, в одночасье, GaN заполонил индустрию зарядки.
Зарядное устройство GaN Power Delivery
Но что касается GaN, у многих людей просто смутное представление, и им не ясно, в чем принцип реализации «малого объема и высокой мощности» и почему он может изменить многопрофильный ландшафт.
Это также является основной целью этой статьи, давайте возьмем эти вопросы, чтобы узнать сегодня.
Что такое нитрид галлия GaN? —— С точки зрения молекулярной структуры
Научное объяснение:
GaN: соединение галлия (атомный номер 31) и азота (атомный номер 7). Это широкозонный полупроводниковый материал со стабильной гексагональной кристаллической структурой.
GaN molecular structure diagram
Ширина запрещенной зоны:
относится к энергии, необходимой для ухода электронов с орбиты ядра. Ширина запрещенной зоны GaN составляет 3,4 эВ, что более чем в три раза больше, чем у кремния, поэтому GaN имеет характеристики широкой запрещенной зоны (WBG).
Ширина запрещенной зоны определяет электрическое поле, которое материал может выдержать.
GaN имеет большую ширину запрещенной зоны, чем традиционные кремниевые материалы, поэтому он имеет очень узкую область обеднения, так что можно разработать структуру устройства с очень высокой концентрацией носителей, а концентрация носителей напрямую определяет проводимость полупроводника.
Почему GaN так популярен?
Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны сначала ответить:
Каковы преимущества GaN?
Зарядные устройства GaN могут работать до 100 раз быстрее, чем традиционные кремниевые устройства, благодаря меньшим транзисторам GaN, более коротким путям тока и сверхнизким сопротивлению и емкости.
Основными преимуществами GaN в области силовой электроники являются высокий КПД, малые потери и высокая частота. Эта характеристика материалов GaN позволяет использовать их в производстве зарядных устройств.
Более того, GaN может работать с более сильными электрическими полями при меньшем объеме устройства, чем обычный кремний, обеспечивая при этом более высокую скорость переключения. Кроме того, нитрид галлия может работать при более высоких температурах, чем полупроводниковые устройства на основе кремния.
То есть: зарядные устройства на основе силовых чипов GaN заряжаются в три раза быстрее, чем обычные кремниевые зарядные устройства, но даже в два раза меньше по размеру и весу. В то же время он обладает характеристиками высокой термостойкости и низкими потерями.
Вот почему зарядные устройства, которые мы видим сейчас, могут легко достигать 65 Вт, 100 Вт, но при этом их объем невелик, по крайней мере, это было невообразимо в прошлом.
GaN PD charger
Каковы преимущества GaN?
Мы интерпретируем преимущества этой технологии материалов на двух уровнях: продукт и промышленность.
Для продуктов: В области силовой электроники силовые устройства на основе материалов GaN имеют более высокую выходную плотность мощности и более высокую эффективность преобразования энергии. Кроме того, система может быть миниатюризирована и облегчена, эффективно уменьшая объем и вес силовых электронных устройств, тем самым значительно снижая затраты на производство и производство системы.
Для промышленности: Соответствующие данные показывают, что на рынке низковольтного оборудования потенциал применения GaN может составлять даже около 68% всего рынка электроэнергии. Еще один момент, который может вас удивить, заключается в том, что технология GaN также может эффективно снижать выбросы углерода. Его углеродный след в 10 раз ниже, чем у обычных устройств на основе кремния. Подсчитано, что если центры обработки данных, использующие устройства с кремниевыми микросхемами по всему миру, будут модернизированы для использования устройств с силовыми микросхемами GaN, то глобальные центры обработки данных сократят потери энергии на 30-40%. Это эквивалентно экономии 100 МВтч солнечной энергии и сокращению выбросов CO2 на 125 миллионов тонн.
Таким образом, привлекательность GaN выходит за рамки повышения производительности и энергоэффективности на уровне системы.
Для зарядного устройства GaN новые требования к конденсатору
Почему появился алюминиевый электролитический конденсатор YMIN для зарядного устройства PD?
С появлением силовых полупроводников GaN третьего поколения в силовых микросхемах всемирно известные бренды силовых микросхем приглашают YMIN разработать миниатюрные алюминиевые электролитические конденсаторы для быстрой зарядки PD. Жидкостные алюминиевые электролитические конденсаторы применены на входной высоковольтной стороне быстрой зарядки ПД; твердые алюминиевые электролитические конденсаторы применяются к выходной стороне низкого напряжения быстрой зарядки PD, чтобы удовлетворить насущные потребности высокой плотности мощности и миниатюризации продуктов быстрой зарядки PD. Соответствующие высокопроизводительные, малосерийные и надежные продукты были высоко оценены и одобрены рынком после их запуска.
YMIN конденсатор R&P прогресс
Вход зарядного устройства GaN PD ——- YMIN Высоковольтный жидкостный алюминиевый электролитический конденсатор Преимущество
низкий ток утечки
Защита от молнии
Рынок быстрой зарядки нитрида галлия находится на подъеме. Благодаря высокой удельной мощности зарядных устройств для быстрой зарядки на основе нитрида галлия жидкостная высоковольтная, миниатюрная серия KCX большой емкости, разработанная и произведенная YMIN, использует зрелую запатентованную технологию и новые материалы для прорыва конденсаторной технологии. Барьеры, частота отказов всей машины контролируется на уровне 15 частей на миллион, стабильность является лучшей, а надежность является самой стабильной.
Вход зарядного устройства GaN PD ——- YMIN Высоковольтный жидкостный алюминиевый электролитический конденсатор Основная рекомендация
Сверхмалые размеры, продукты большой емкости
Защита от удара молнии, капающий ток (низкая мощность в режиме ожидания)
Высокий пульсирующий ток, высокая частота и низкий импеданс
Выход зарядного устройства GaN PD ——- YMIN Низковольтный твердый алюминиевый электролитический конденсатор Преимущество
низкий ток утечки и стабильность
Выдерживает большой импульсный ток
100 000 переключений
Быстрая зарядка GaN PD обеспечивает высокую выходную мощность за счет высокого напряжения и высокого тока, что обеспечивает быструю зарядку. Его выходное напряжение может достигать 12 В, а выходной ток может достигать 5 А; поэтому конденсатор выходного фильтра выберет твердотельные конденсаторы с напряжением 25 В, большой емкостью и низким ESR. Достаточно большая емкость может обеспечить поддержку постоянного тока, а достаточно низкое ESR — эффект фильтрации. Однако у обычных твердотельных алюминиевых электролитических конденсаторов на 25 В есть одна проблема: способность выдерживать коммутационные удары недостаточна.
Выход зарядного устройства GaN PD ——- Низковольтный твердотельный алюминиевый электролитический конденсатор YMIN Рекомендуется
Сверхмалый размер, серия большой емкости
Данные испытаний и отзывы рынка показывают, что после многократных переключений зарядки и разрядки (включая, помимо прочего, частое подключение и отключение быстрой зарядки) обычные твердотельные алюминиевые электролитические конденсаторы на 25 В будут испытывать значительное снижение емкости, сопровождающееся увеличением ESR, что приведет к ухудшению способности твердотельного конденсатора поддерживать постоянный ток, скорость быстрой зарядки будет значительно снижена, и быстрая зарядка больше не будет быстрой! Быстрый рост ESR приведет к большим пульсациям на выходе быстрой зарядки, что принесет много негативных последствий! При быстрой зарядке вы часто будете сталкиваться с перебоями в подаче электроэнергии при подключении и отключении, поэтому быстрая зарядка должна выдерживать частые зарядки и разрядки.
Fast Charging With More Power Through GaN
The increase in power demand in mobile devices is pushing the limits of conventional chargers. There are limitations in the traditional charger design prior to fast charging, and this is due to Silicon. Larger screen sizes, OLED displays and more features in smartphones are draining the battery at a much higher rate. Smartphone vendors address the problem by building larger capacity batteries (in mAh), but then the next issue is that it now takes much longer to recharge higher capacity batteries. For faster charging systems, using GaN provide much faster charging to meet the demands of power hungry devices.
What Is GaN?
GaN (Gallium Nitride) use a combination of Gallium (Ga 31) and Nitrogen (N 7) to form a semiconducting material in the power management integrated circuit of the charger. It is a lot more efficient than Silicon (Si 14) because it has a wider band-gap that can handle larger electrical fields with a smaller chip size. The smaller sized transistors have shorter current paths which provide ultra-low resistance and capacitance. This enables 100x or 1000x faster switching speeds (electrons). This leads to higher charging efficiencies which delivers more power to the battery while generating less heat.
With faster switching times, the charger delivers more power to the battery with a smaller component size. The components in the charger can be shrunk since they store less energy in each switching cycle. This is because the power is delivered much faster to the battery, which decreases the charging time. GaN chargers provide faster speeds with greater efficiency and higher density, using smaller components.
More Power
There might be a misconception that a GaN charger creates more power capacity for the battery. The amount of power in the battery or its capacity does not change. Instead, what happens is the amount of time the battery is charged decreases with a greater amount of power provided from the charger. You cannot increase the power capacity since it is already built into the battery. For example a 2400 mAh battery will always have that rated capacity. What GaN chargers do is fully charge the capacity of the battery in the shortest amount of time.
During the process of charging, higher power output from the charger is what helps to decrease charging time. The power W (Watts) delivery is increased by the GaN charger (not the battery capacity). The voltage (V) can be set along with an increase in current A (Ampere) that flows from the charger to the battery. GaN chargers, like other fast chargers, increase the power delivery by increasing the current in the charging device. A GaN charger can provide 65W (20V @ 3.25A), which is 13X more than a standard 5W charger. The power delivered can be denoted by:
Shorter Charging Times
The amount of time it takes to charge a smartphone varies, depending on how much power is left. There is no official time for how long it takes to charge a battery, but it is usually between 1–2 hours for a full charge (depends on the charger). Assuming we start from 0% of the charging capacity of a Lithium-Ion battery (2400 mAh). A standard 10W charger (5V @ 2A) will take 1.2 hours (1 hour and 12 minutes) to charge the battery. With a 65W GaN charger (20V @ 3.25A) it will take only 0.73 (44.3 minutes) of an hour.
These are just estimates to give an idea of the difference, but not based on real world values (Power losses were not included in the calculation for simplicity purposes). If we do take power loss into consideration, GaN chargers will still charge in less time since they are more efficient in transferring energy. There are claims that GaN chargers can charge up to 2.5x faster than standard type chargers.
Advantages Of GaN
GaN chargers have the following advantages over Silicon based chargers:
- Require less components than Silicon chargers.
- Generates less heat. Silicon heats up more than GaN, which makes GaN chargers a lot safer. Silicon is a volatile element and it has to be balanced with another element to make it a stable semiconductor for electronic components.
- GaN convert more energy to use which produces less heat and therefore is more efficient.
- Faster charging time compared to standard chargers and fast chargers.
- More devices can be charged simultaneously, without overheating or overloading problems. The best GaN chargers have temperature controls, over-current and over-voltage protection circuits.
- Allows for smaller sized chargers that save space and weigh less than conventional chargers. This means carrying large power banks and lugging power chargers will be a thing of the past.
- Lower costs from production at scale can also lower the cost of GaN chargers, saving consumers plenty.
- Lowers electric bills in the long run due to greater efficiency.
It is still possible for a Silicon-based fast charger to charge a smartphone battery at roughly the same amount of time. Once again, the main differences is more about efficiency as well as the size. The fast charger will produce more heat and will be less efficient for powering multiple devices simultaneously. It will thus experience more losses in transferring energy to the battery due to the amount of heat it produces, thus in the long run it takes longer to charge a battery. Fast chargers are also much larger in size and weight than GaN chargers, so they can be a burden to carry around or use. Portable fast charging power banks are not exactly nice to carry around unless they can fit comfortably in a pocket.
Conclusion
Navitas, Belkin and Aukey are some of the companies that make GaN chargers. These devices are also marketed under the name GaNFast or GaN Fast Chargers. They are compatible with existing devices, mainly through the use of USB-C interfaces for power delivery. Other devices could be supported using a USB-C or other adapter, but do read the documentation to make sure. The latest brands of smartphones, laptops and tablets should be compatible unless they are not supported by the charger vendor (refer to the documentation of the device).
We look forward to smaller form factors in chargers that use GaN. Smaller components that deliver more power allows greater flexibility for space saving and higher density power solutions. They are also safer to use with multiple devices simultaneously. They will not only be used for smartphones, but for laptops and tablets. We can expect these chargers for other battery operated devices like digital cameras and other electronic devices. It is also an example of greener technology that promotes energy efficiency. As a result, we can expect less time to charge our electronic devices while saving energy.