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(guān)速度，可以通過提高電源的開關(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。
接下來我們來說說臺(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電源是多年來沿用下來的老標(biāo)準(zhǔn)，由于歷史遺留問題，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電源來縮小體積，滿足人們對(duì)減小機(jī)箱體積，減少空間占用。高性能小鋼炮的追求開始普及，越來越多的人，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，雖然說這個(gè)功率已經(jīng)不算小，能滿足很多主流平臺(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)開關(guān)管和同步整流管都使用氮化鎵開關(guān)管來取代傳統(tǒng)的Si MOS，組成All GaN方案。
在電源中使用氮化鎵開關(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)使用氮化鎵開關(guān)管來進(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關(guān)管，我們還有沒有其他辦法減小電源內(nèi)部元件的體積呢?通過我們的拆解，快充適配器的內(nèi)部，早年是需要多顆IC來實(shí)現(xiàn)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(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)開關(guān)電源技術(shù)來講，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，采用零電壓軟開關(guān)，具有高效率優(yōu)勢(shì)，能滿足80Plus鈦金效率的嚴(yán)苛要求。
LLC+PFC combo
通過充電頭網(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開環(huán)保護(hù)、過壓保護(hù)、過流限制和過流保護(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/零電壓開關(guān)以減小開關(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)，過功率保護(hù)，內(nèi)部和外部過熱保護(hù)，精確的過壓保護(hù)，過流保護(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，人們開始在開關(guān)電源中引入PFC電路，功率在75W以上的開關(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通過控制器驅(qū)動(dòng)開關(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確保精確的開通和關(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。無需外置驅(qū)動(dòng)器。
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(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。在電路板上開金屬化過孔，大面積敷銅露銅焊接。管子發(fā)熱通過銅箔與堆錫，傳導(dǎo)至散熱片散出。金屬化過孔設(shè)計(jì)在大功率電源上非常常見。
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，風(fēng)扇等外設(shè)從主板取電，對(duì)于輕度使用者來說，不使用獨(dú)立供電的顯卡，硬盤采用NVME固態(tài)硬盤，電源只需為CPU和主板供電，即可滿足整機(jī)供電需求，可以做到非常簡(jiǎn)潔。
至于機(jī)械硬盤所需的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輸出的線路損耗，至今傳統(tǒng)電源3.3V輸出還有采樣線檢測(cè)輸出端壓降。并且5V和3.3V因?yàn)殡妷旱?，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。
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，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，相比起原來由電源來輸出5V和3.3V，更加穩(wěn)定。
至于效率來說，對(duì)于原有的高價(jià)電源，12V同步整流輸出，5V和3.3V開關(guān)降壓架構(gòu)，可以說是略微提升，5V和3.3V輸出連接器和導(dǎo)線的損耗去掉了。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)采用新硬件來說，這個(gè)總歸是好事。
成本上來說，電源的整體成本是下降的，PCB簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，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(biāo)準(zhǔn)的推行，對(duì)這些廠家是利好，順帶還有固態(tài)電容，電感等廠家，看漲看漲。
再來說說這個(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，但是換來的是節(jié)能和機(jī)箱內(nèi)部的整潔。另外可靠性的問題，主板廠家的設(shè)計(jì)水平，個(gè)人覺得是要超過電源廠的，把降壓從電源內(nèi)部移出來到主板上，沒有問題，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)降壓更不是問題了。
最后來說說ATX12VO對(duì)于電源的影響。對(duì)于12V同步整流的電源來說，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)壓的電源來說，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(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(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)于主板來說，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。
