雷军手中的氮化镓GaN充电头为什么能这么小

摘要:北京时间20200214关于【雷军手中的氮化镓GaN充电头为什么能这么小】的具体情况和说明,让www.plgnw.cn新闻频道的以图文形式为您慢慢道来。

十年梦幻之作「小米10」和「小米10破」(雷总一直这么念的)刚刚发布,与此同时也发布了众多配件。其中电脑充电器这个配件,雷总20年前就对其耿耿于怀,于是亲自督促了小米10的65W充电器的设计,为的就是方便你更换现在沉重的笔记本电源,同时还发布了更小巧同时更贵的氮化镓(化学式GaN)充电器。本文简要的探讨为什么氮化镓充电器可以更小更轻,全文不出现任何电路图与公式。

小米10发布会上的65W充电器

充电器的参数与功能

充电器是一个电源,如下图所示,两个重要参数输入和输出:

手机充电器参数

输入是「100-240V~ 50/60Hz 0.5A」。就是正常家里的市电,100-240V是为了满足多个国家能够使用,如日本的民用电压是110V,中国的民用电压是220V,~代表交流电,50/60Hz也是为了满足两种交流电频率,如中国为50Hz,中国香港为60Hz,0.5A为额定工作电流。

输出是「USB 5V⎓2.4A」,USB即为输出端口是USB,输出电压是5V,⎓是直流符号,2.4A是额定输出电流。

所以这个充电器就是一个把220V市电转为5V直流电的设备,无论我们使用的苹果手机祖传5V1A充电头,或笔记本的65W充电器,或雷军手中的氮化镓充电器,这些充电器的目的都是为了把220V的交流电压变成稳定的直流电压,才能给手机或者笔记本的锂电池充电。关于充电这事几个我见过的误解也顺便说一下:

输出的2.4A可理解能够提供的最大输出电流,实际输出大小取决于负载,即你的手机实际耗电的能力,如果你的手机最大只能5V1A充电,那么5V2.4A的充电器只会输出5V1A,而不会造成电流过大把手机烧掉。

手机电池都是锂电池不存在边充电边放电的情况,即边充电边玩手机,实际是充电器在给电池充电的同时也给手机供电,而不是手机电池同时充放电。

都知道手机充电线是不会电到人的,因为电压小于人体安全电压36V,很多带个充电头的小电器,上面写着输出12V或者24V的,也是电不到人的。

互感现象与充电器的原理

说充电器原理前先说一个高中物理的基本知识「互感现象」。即变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场,能量转化的角度就是电能转化为磁场能,磁场能再转化为电能。互感现象中有个公式就是原副线圈两端电压与匝数成正比(原边是输入端,副边是输出端),这样就可以通过控制匝数来控制副边线圈产生的电压值,这就是做变压器的原理。关于这个原理有两点注意:

互感现象可以通过电压与匝数正比关系,比较准确的控制输出电压;

磁场能作为中间人进行电能的转换,所以能够输出电能的功率也取决于中间人磁场能够承载的能量。

互感现象

如下面充电器拆解图,充电器里面也用到了上面说的变压器,但是为了更高效,更安全,更稳定的实现变压输出,变压器输入输出前都有一些处理电路。首先,手机充电器不是直接将220V 50Hz的市电直接通过变压器进行降压。220V交流电整流后先经过开关管(一个速度很快的开关)然后才到变压器,由于开关管的高频开启和关闭,所以输入电压是高频变动的,变动的电压通过变压器就会产生互感现象。输出端的电压也需要经过滤波和稳压才能稳定为直流。输出电压还会反馈到输入端来调节开关频率,作用就是稳定输出电压。

手机充电器拆解

这个变压过程有个关键就是高频,如图中的高频震荡和高频变压器。国内市电的频率是50Hz,而充电器中开关管的高频通断的频率一般是10kHz以上,为什么不直接用220V/50Hz的市电,其目的就是为了在功率相同的条件下减小变压器的体积。前面说了能量转换的中间人是磁场能,磁场能够承载的能量大小和变压器的体积有关,如变压器中间铁芯大小和线圈匝数的圈数。简单的关系就是在变压器材质一致情况下,体积越大,能够承载的磁场能量越大。提高频率意味着即使每次电磁变化转换的能量一样,可以使单位时间内能量转换的次数增加,所以导致转换功率增加。反过来说就是总功率一定时,频率越高,变压器的体积可以更小。(关于磁通密度,匝数,截面积,变化时间关系可以参考麦克斯韦的电磁方程)

苹果5W/12W/29W充电器

功率和体积的正向关系也可以解释为什么苹果充电器输出功率越大时,体积越大,一个很大原因就是变压器大了,当然还有一些其他电子器件体积(如电容)也会增大。

氮化镓充电器为什么小

氮化镓充电器小的关键原因是继续提高了开关频率。前面已经说了,开关频率越高,体积可以做得更小。因为目前使用的开关管基本上都是硅和锗半导体材料,而这类开关管频率提升空间已经很小了,因为进一步提高频率也会带来更大的开关损耗和发热。而氮化镓是一种更好的替代材料,由它制成的氮化镓开关管开关频率可以大幅度提高,可以达到100kHz至10MHz,但损耗却更小。所以用了氮化镓开关管的充电器在功率一定情况下可以使用体积更小的变压器和电容等器件,雷军手中的65W氮化镓充电器可以这么小也是同样原因。

小米氮化镓充电器

在市面上,其他厂家也早有了氮化镓充电器,并不是什么首次的黑科技。如果你经常带着充电器出差还是可以买一个,建议买大厂的,质量更有保障。如果你只是家里和办公室两边跑,或者宿舍和实验室两边跑就没有必要买氮化镓充电器,可以多买一个普通的充电器,两边各放一个,毕竟不带充电器比带个轻的更舒服。最好选择带多个USB孔的充电器,尤其对于iPhone的用户,手机与笔记本可以一起充电。

还有一个问题

输入电压可以100-240V之间变化,但输出是恒定的,还有就是有些输出电压也可以是多种,如支持一个协议或者多种协议的(PD协议和QC协议)充电器,貌似不怎么符合电压和匝数正比关系。

多协议输出充电器

简单说就是开关管利用了「反馈」,时刻在调节输出电压。输出不足5V时延长通电时间,超过5V时减少通电时间,所以即使市电电压是波动的,充电器也能稳定输出5V恒压,但是这个波动不能没有限制,反馈控制的范围就是输入电压的范围。更详细的原因可以搜索关键词脉宽调制技术、反馈控制查看。

知道这个就不难理解多种电压输出的原理。充电器和手机之间会有充电协议的识别和相应的数据传输,导致充电器可以选择输出需要的电压,这个能力也可以通过上述反馈实现。多口同时输出也是在总的功率下进行的分割,实现不同电压输出可以简单分压,65W三个口充电器是指三个加起来总功率最大65W。

不足或错误之处,欢迎交流。


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