從“五福一安”到300W秒沖，電源芯片“負(fù)重前行”

最近記者被一條新聞吸引了眼球：小米發(fā)布300W“秒充”技術(shù)，手機僅需5分鐘就能把電池充滿。

300W是什么概念？這個功率都可以帶動RTX4080顯卡滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)了，而iPhone14標(biāo)配的充電頭功率也才29W，國產(chǎn)品牌效率能打10個蘋果。手機充電速度什么時候變得這么快了？

快充時代的到來，讓我們不再拘泥于出門前特意安排充電時間。目前60W-100W的充電功率在安卓平臺普及，已經(jīng)讓我們的日常生活感到便利。不過，在這個手機隨插隨用的時代，你還記得曾經(jīng)守著手機充電等待出門的時光嗎？手機充電器又是怎么從“五福一安”進化到上百瓦充電的？

充電器“前芯片”時代

很多人或許還對2G、3G時代的手機有印象，那時的手機充電器頭被稱為“黑疙瘩”。這是因為那時的充電器都在使用變壓器，由于物理限制，要想做到較高的電磁轉(zhuǎn)化率，變壓器必須要做到很大，銅線纏繞線圈夠多才行。理論上通過的電流越大，充電器的體積也就越大。

傳統(tǒng)充電器頭的結(jié)構(gòu)通常包含變壓器線圈、整流器、基準(zhǔn)電壓源、光耦反饋等元器件。而它的核心結(jié)構(gòu)就是一個碩大的變壓器。

變壓器 ?圖源：維基百科

手機充電器中的變壓器由兩組線圈與鐵芯組成，它利用法拉第電磁感應(yīng)定律來改變交流電的電壓，不改變電源頻率。從圖片上看，220V市電從左邊的線圈中流入，并在鐵芯中產(chǎn)生磁場，這個變化的磁場通過鐵芯傳到右邊的線圈并產(chǎn)生感應(yīng)電流。在理想的情況下，左右兩邊線圈中的電壓比值就是線圈數(shù)量的比值。

以經(jīng)典款摩托羅拉L7的充電器為例，它的充電規(guī)格為5V 0.55A，這就需要變壓器左邊的線圈纏繞圈數(shù)是右邊的44倍，這樣變壓器輸出的電壓就降到5V，再通過濾波穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換等步驟轉(zhuǎn)換為與手機適配的直流電。

然而現(xiàn)實中的變壓器是不可能完全做到100%轉(zhuǎn)化效率的，例如銅線電阻、鐵芯渦流、磁力流失等原因都會導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換不理想，越小的變壓器能量損失越嚴(yán)重，這些流失的能量往往會轉(zhuǎn)化成熱量散發(fā)出來。為了提升轉(zhuǎn)換率，降低渦流與電磁損失，充電器的鐵芯一定不能太小，銅線線圈也要繞的更多更密集。大、沉、燙成了這種老款充電器的明顯特征。

其實，提升電磁轉(zhuǎn)換效率，除了增加線圈數(shù)量、增大鐵芯大小外，讓電路的振蕩頻率變高也能做到。頻率越高，鐵芯的磁通密度越低，鐵芯損耗越小，效率越高。不過我們用的市電都是50Hz的，調(diào)整電壓電流變壓器就能做到，但調(diào)整頻率應(yīng)該怎么做呢？

圖源：厲害的朋友圈

開關(guān)芯片上線

假設(shè)我們手里有一顆恒壓直流電池，那我們怎么讓電池輸出交流電呢？最簡單的方法就是快速開關(guān)并反轉(zhuǎn)電池的方向。我們每秒鐘反轉(zhuǎn)一次電池方向（轉(zhuǎn)一圈轉(zhuǎn)回來），就對應(yīng)的是1Hz?，F(xiàn)在為了提升變壓效率，我想要輸出10000Hz的交流電，難道要每秒鐘用手反轉(zhuǎn)電池一萬次嗎？

這種看似不可能的事情，MOS管就可以輕松做到。MOS管分為P型與N型，每個MOS管都有柵極、漏極、源極與襯底組成，柵極通過絕緣層與襯底隔開。MOS管內(nèi)沒有機械開關(guān)，驅(qū)動它僅需要電壓不需要電流。

場效應(yīng)晶體管（MOS管） ?圖源：維基百科

MOS管的G（柵極）端與S（源極）端的電壓從0升到啟動電壓的時間越短，那么MOS管的開啟速度也會越快，同理，電壓降低到0的時間越短，MOS管關(guān)閉的越快。問題來了，我就是需要MOS管輸出高頻電路，去哪里找另一個高頻信號來驅(qū)動它？

MOSFET驅(qū)動芯片可以做到。它基于PWM的方式來驅(qū)動MOS管工作。驅(qū)動芯片內(nèi)部具有振蕩模塊，利用電容的充放電形成鋸齒波和比較器來生成占空比可調(diào)的方波。這樣我們就得到一個頻率可調(diào)的MOS管驅(qū)動電源了。

某開關(guān)電源芯片內(nèi)部電路 ?圖源：面包板社區(qū)

輸入變壓器的頻率提高后，相同電磁轉(zhuǎn)化率的充電器變壓器內(nèi)就能少纏繞很多線圈，對應(yīng)的變壓器大小也會減小，這就是智能機時代充電器體積突然變小的真正原因。硅基開關(guān)芯片頻率可以做到40KHz以上，相比50Hz的市電提升了近千倍。

不過隨著手機芯片性能的提升，消費者對于充電速度不再滿足于“五福一安”，更快的充電速度意味著更高的工作效率，這時一家國產(chǎn)手機廠站了出來，用一句膾炙人口的廣告詞宣誓著快充時代來臨。

充電5分鐘，通話兩小時

2014年，一句著名的廣告詞響徹大街小巷，“充電5分鐘，通話兩小時” 成為OPPO手機發(fā)布時喊的最響亮的廣告詞。

猜猜是誰念出的這句廣告詞 ?圖源：互聯(lián)網(wǎng)

彼時智能手機剛剛進入快速發(fā)展階段，4G商用為移動市場注入前所未有的活力，國產(chǎn)手機迎來爆發(fā)式增長。以當(dāng)年發(fā)售的華為P8為例，它配備了一塊2680mAh的電池，充電器為5V1A，官方介紹理論電池充滿時間為3小時，據(jù)媒體實測電池放空大概要3.5小時可以將手機充滿。不過更高算力的芯片、更大的屏幕、更多的APP都在蠶食當(dāng)年容量有限的電池，手機輕薄化的趨勢也讓電池容量做不了太大，人們不得不經(jīng)常守在充電器旁邊等待手機充滿。

2000多毫安時的電池還要三小時，這怎么夠，我做生意分分鐘幾個億的！初中我們學(xué)過的功率公式P=I×V，提升功率只需要拉高電壓或電流就行了。不過鋰電池在高壓充電時會放出大量熱量，如果單純地提升電壓來拉高功率，安全隱患很多，從用戶體驗角度來說，誰也不想在盛夏抱著暖爐打游戲看視頻。

所以O(shè)PPO選擇了“低壓高流”方案。OPPO通過在充電器中集成了本該在手機中的降壓芯片，并提升充電頭和連接線路的寬度，以適配大電流充電。不過這也導(dǎo)致OPPO的充電頭體積過大，在當(dāng)時的一眾mini充電頭中格外顯眼。

后來廠商們又找到了一個很討巧的方法繞開了電池的發(fā)熱難題，那就是將電池一分為二，用并聯(lián)的方式同時給“兩塊”電池充電。在電路中串聯(lián)的兩個小燈泡，它們的電流相同且平分電壓，采用這種“雙電芯”的方法可以在更高電壓的情況下，直接將充電功率提升兩倍，還能避免高電壓直接流入電池引起發(fā)熱。

雙電芯方案 ?圖源：CFAN

除了“低壓快充”和“雙電芯”方法外，華為還將“電荷泵”技術(shù)引入手機。這種手機可以直接將高壓電流輸入手機中，電荷泵會在手機內(nèi)部將電壓降低，創(chuàng)造出“低壓”環(huán)境，這樣既能減少充電頭大小，也能避免手機充電發(fā)熱的問題。

不過在廠家們進行充電速度軍備競賽的時候，別忘了還在“負(fù)重前行”的電源芯片。要知道，MOS管在快速開關(guān)的過程中也并不是沒有能量損耗的，越高頻的電路，電流處于單向流通的時間就越短，能量損耗就更小。此外，越高頻的電路，充電頭內(nèi)所需要的電容就越小?？偟膩碚f，提高頻率就能有效的降低充電頭的大小。

那無限的提高頻率不就行了？并不全對。當(dāng)MOS管在關(guān)閉過程中，儲存在變壓器寄生電感中的能量會耗散在緩沖電路中，如果開關(guān)頻率太高，這部分功率損耗會大幅度增加而導(dǎo)致電源顯著變熱，這個特性在硅基半導(dǎo)體上較為明顯，因此人們逐漸將視野放到了硅之外。

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第三代半導(dǎo)體

我們?nèi)粘Ｒ姷淖疃嗟男酒际且怨铻榛A(chǔ)，從硅片上進行光刻、刻蝕等步驟產(chǎn)出芯片。然而在高頻電路中，硅基受限于較小的禁帶寬度，在MOS管開關(guān)過程中損失的能量更大。此外，高頻電路的放熱也會更多，硅材料在超過60℃后的高頻性能會有明顯下降。最重要的是，使用高頻硅基芯片的充電頭太大了！

硅基材料功率器件極限 ?圖源：中信建投

為了解決這些問題，近年來的半導(dǎo)體新寵——第三代半導(dǎo)體來了。目前用在充電領(lǐng)域的第三代半導(dǎo)體主要是GaN（氮化鎵）與碳化硅（SiC）。相比硅，第三代半導(dǎo)體有著更高的臨界溫度，在更高溫度下工作產(chǎn)生漏電的概率會低很多，此外，它們還有更高的臨界擊穿電場，更高的熱導(dǎo)率更高，更高的飽和電子速率和電子遷移率等優(yōu)勢，它們也被稱為“寬禁帶半導(dǎo)體”。不過新材料的作用主要在減小體積方面。

GaN相比SiC，在小電流高頻率上優(yōu)勢更大，因此在手機端GaN逐漸占據(jù)大多數(shù)市場。GaN晶體管的橫向結(jié)構(gòu)使其具極低電荷特性，能夠在數(shù)納秒內(nèi)切換數(shù)百伏特，切換頻率可達數(shù)兆赫，這個性能可縮小功率轉(zhuǎn)換器體積。

硅基功率器件與GaN對比 ?圖源：品利基金

有了第三代半導(dǎo)體，充電器中的電源芯片又可以“愉快”地在更高頻率下“負(fù)重前行”了。

我們回到文章開頭，小米官方介紹它們的300W快充時說，300瓦秒充采用第四代GaN集成化方案，基于雙串電池設(shè)計，電芯輸入電流高達30A。不過雷軍在發(fā)布會上也說，這個功率僅能在“魔改版”的Redmi Note 12 Pro上實現(xiàn)，距離實裝還有點距離。而且充電功率也僅是在峰值維持300W，畢竟相同功率的RTX4080都得上三個風(fēng)扇。

就目前的技術(shù)進展來看，由于第三代半導(dǎo)體的普及，手機充電功率再次進入“全速前進”時代?！俺潆?分鐘，通話兩小時”的到來，讓手機廠商敢于裝配更大容量的電池，讓更高性能的芯片得以裝在手機上。那“充電5分鐘，從零到一百”時代的到來，還會怎么改變我們的生活呢？