Kompaktowe zasilacze prądu przemiennego o dużej mocy można zbudować przy użyciu urządzeń wykorzystujących złącza oparte o materiały takie jak: SiC (weglik krzemu), GaN (azotek galu) i Si (krzem), jak wskazuje najnowsza analiza produktów TechInsights.
Zasilacze sieciowe i ładowarki są stałym przypomnieniem, że urządzenia mobilne, nie są aż tak mobilne, jak byśmy chcieli. Każde urządzenie mobilne musi być regularnie ładowane, najczęściej z sieci. Podczas gdy wymagania co do technologii ładowania baterii pozostają takie same, technologia ładowania się zmienia. Urządzenia krzemowe są dojrzałą technologią w tej dziedzinie, ale producenci rozważają obecnie zastosowanie węglika krzemu (SiC) i azotku galu (GaN), aby osiągnąć większą sprawność tych urządzeń.
Początkowo większość zasilaczy AC była liniowym zasilaczem, który łączył transformator z mostkiem prostowniczym i baterią kondensatorów filtrujących, aby przekształcić napięcie AC z sieci na prąd stały niskiego napięcia odpowiedni do np. ładowania akumulatora. Adaptery te były ograniczone do określonych napięć wejściowych prądu zmiennego, aby utworzyć określone napięcia stałe na wyjściu i na ogół nie mogą być używane na całym świecie. Były również ciężkie, niewygodne, a dla każdego urządzenia wymagającego zasilania prądem stałym wymagany był zwykle inny zasilacz. Ponadto technologia oparta na transformatorze i układzie liniowym była mało wydajna, ponieważ niepotrzebnie rozpraszana była moc, która przekształcana była w ciepło i rozpraszała się nawet wtedy, gdy zasilacz nie był obciążony.
Zasilacze impulsowe (SMPS) stopniowo wypierają technologię opartą na transformatorach liniowych już od lat '80 XX wieku. Stosowane są różne topologie obwodów, ale zasadniczo wszystkie są oparte na tej samej zasadzie. Napięcie przemienne jest prostowane do wysokiego napięcia stałego, które napędza obwód impulsowy. Zawiera on transformator działający przy wysokiej częstotliwości, za którym znajduje się prostownik i filtr z którego i wyprowadza się zadane napięcie stałe.
Ogromną zaletą układów SMPS jest to, że mogą być używane z różnymi napięciami i częstotliwościami wejściowymi po stronie pierwotnej, dzięki czemu można wytwarzać „międzynarodowe” zasilacze. Ponadto mogą być one łatwo skonfigurowane do wytwarzania różnych napięć wyjściowych. Regulacja napięcia jest osiągana przez zmianę stosunku czasu włączenia do wyłączenia obwodu przełączającego wysokiego napięcia.
Stosunkowo nowy standard zasilania USB-C ma na celu zapewnienie zmiennej mocy ładowania - do 100 W (np. 20 V i 5 A), dzięki czemu pojedynczy zasilacz sieciowy może być następnie używany do ładowania szerokiej gamy urządzeń. Ponadto kable takie są dwukierunkowe, co oznacza, że ten sam kabel może być używany do ładowania laptopa z monitora lub smartfona z laptopa. Moc i napięcie ładowania są konfigurowane dynamicznie, gdy urządzenia są ze sobą połączone.
SMPS do zastosowań konsumenckich zwykle wymaga tranzystora polowego (FET) o napięciu pracy około 600 V. Ten FET służy do przełączania wysokiego napięcia z wysoką częstotliwością. Napięcie to następnie podawane jest na transformator w przetwornicy. Odpowiednie szerokopasmowe FET można wytwarzać za pomocą azotku galu (GaN), węglika krzemu (SiC) lub krzemu (Si). Silikonowa super-złączowa technologia MOSFET obecnie dominuje na rynku zasilaczy AC dla urządzeń mobilnych, ale elementy wykonane z GaN i SiC obiecują wyższą wydajność i mniejsze rozmiary.
Proponowane urządzenia GaN to tranzystory lateralne o wysokiej mobilności elektronów (HEMT) utworzone na podłożach GaN-na-Si. Istnieje kilka wdrożeń technologii szerokoprzerwowej na rynku zasilaczy sieciowych, ale jak dotąd żaden z głównych producentów OEM nie przyjął tej technologii. Przyjrzyjmy się bliżej trzem urządzeniom wykorzystującym nowoczesne technologie i porównajmy je.
Tranzystory z węglika krzemu (SiC)
W 2016 roku analitycy z TechInsights analizowali ładowarkę do laptopów Avogy Zolt (model ZM070LTPX01-G). Firma Avogy twierdziła, że jest dostawcą urządzeń GaN, ale analitycy odkryli, że Zolt zawiera FET mocy wykonany z SiC, prawdopodobnie wyprodukowany przez Cree, ale zapakowany z oznaczeniami Avogy.
Specjaliści z PntPower.com stwierdzili następnie, że jednym z powodów, dla których Avogy używał urządzenia SiC było to, że był on dostępny w tym czasie na rynku. Zdjęcie po prawej stronie przedstawia płytę główną ładowarki do laptopa Zolt, ze wskazaną lokalizacją układu AV150-00028 wykonanego z węglika krzemu.
Avogy nie istnieje już jako niezależna firma, ale Avogy Zolt jest nadal dostępny do zakupu za pośrednictwem sprzedawców zewnętrznych. TechInsights wyśledziło aż 14 zwycięstw technologicznych dla projektu Zolt w firmach takich jak Infineon, Maxim, Microchip i Texas Instruments.
Elementy z azotku galu (GaN)
Od 2016 roku technologia GaN poczyniła znaczne postępy na rynku komercyjnym. Coraz więcej dostawców oferuje obecnie zasilacze oparte na takich układach. Są wśród nich dostawcy tacy jak RAVPower, Anker, FINsix czy Made in Mind (Mu One).
Wielu dostawców oferuje obecnie urządzenia GaN FET, począwszy od małych startupów, takich jak GaN Systems i Navitas, aż po dużych graczy, takich jak Infineon czy Panasonic. Niedawno firma TechInsights opublikowała wyniki analizy ładowarki USB RAVPower RP-PC104 45 W, która była reklamowana jako zawierająca elementy GaN.
"Odkryliśmy, że RP-PC104 zawiera dwa układy scalone NavNas NV6115 z GaN" wskazują inżynierowie badający ten system. Zdjęcie po prawej stronie przedstawia główną płytkę drukowaną zasilacza RP-PC104 z zaznaczonymi lokalizacjami układów Navitas NV6115.
Elementy Navitas znaleźć można też w ładowarce Made in Mind Mu One 45 W oraz w ładowarce Aukey PA-U50 24 W USB. Ładowarka Mu One miała zasadniczo taką samą konstrukcję jak ładowarka RavPower. Oba wydają się być oparte na projektach referencyjnych stworzonych przez Navitas.
Aukey PA-U50 cieszył się szczególnym zainteresowaniem techników, ponieważ zawierał nowy zintegrowany półmostek - Navitas NV6250, który jest obecnie szczegółowo analizowany przez specjalistów z TechInsights. Zdjęcie po prawej stronie pokazuje zintegrowaną matrycę elementów GaN HEMT w NV6115 z ładowarki RP-PC10.
Nowoczesne tranzystory krzemowe (Si)
Firma TechInsights badała niedawno również zasilacz Innergie 60C z złączem USB-C o mocy 60 W. Wyprodukowany był przez Delta Electronics Group i miał zawierać zawierać elementy GaN. Internetowe plotki sugerowały alternatywnie, że urządzenie zawierać może nowy MOSFET o napięciu 600 V od Infineona
- CoolMOS i że Delta zasłania oznaczenia tych elementów farbą ochronną.
Analiza Innergie 60C przez TechInsights potwierdziła zarówno obecność elementu IPL60R185C7 od Infineona, jak i zastosowanie farby zabezpieczającej. Nie znaleziono natomiast komponentu z GaN.
Zdjęcie po prawej stronie pokazuje jedną z kilku małych płytek drukowanych znalezionych w zasilaczu Innergie 60C. Lokalizacja CoolMOSa od Infineona - IPL60R185C7 z ukrytymi oznaczeniami jest zaznaczona na zdjęciu. TechInsights planuje przeprowadzić szczegółową analizę tego elementu w najbliższej przyszłości.
Podsumowanie
Co ciekawe, w przypadku trzech zaprezentowanych powyżej zasilaczy, wydaje się, że to Innergie 60C zapewnia najlepszą ogólną sprawność systemu (patrz tabela poniżej).
Jedną z miar sprawności ładowarki mobilnej jest jej gęstość mocy, czyli waty wytwarzane na cal sześcienny objętości. Innergie 60C jest wyraźnym zwycięzcą w tej konkurencji, z najwyższą gęstością mocy, wynoszącą 17,4 W/in³. Starsza konstrukcja - Avogy Zolt - ma z kolei największą objętość i najniższą gęstość mocy.
Delta, producent Innergie 60C, jest uznanym producentem zasilaczy. Firma twierdzi, że produkuje ok. 80 milionów adapterów do notebooków rocznie. Prawdopodobnie konstrukcja Innergie 60C jest dużo lepiej zoptymalizowana niż pozostałych. W przypadku urządzeń opartych na GaN wymagana jest dalsza optymalizacja, jeśli mają one skutecznie konkurować z krzemową technologią MOSFET.
Kontrola kilku komercyjnych ładowarek od głównych producentów OEM, w tym urządzeń dostarczanych z Google Pixel 3, Huawei Mate 200 Pro i szybkiej ładowarki dla Nokia 9 PureView, wykazała, że we wszystkich tych elementach znajdują się krzemowe MOSFETy. Wyraźnie widać zatem, że technologia Si nadal dominuje na tym rynku.
Ze względu na stosunkowo wysoki koszt technologii SiC jest mało prawdopodobne, aby osiągnęła ona szeroki sukces na rynku zasilaczy. Zamiast tego technologia ta jest lepiej dostosowana do zastosowań wysokonapięciowych i skutecznie wypiera krzemowe moduły IGBT na rynku pojazdów elektrycznych i hybrydowych.
Firma TechInsights odkryła również, że zasilacze z GaN nie przewyższają jeszcze wysokiej jakości zasilaczy opartych na krzemowych elementach pod względem gęstości mocy. Niemniej jednak. znane korzyści technologiczne GaN w połączeniu z powszechnym zainteresowaniem przemysłu opracowywaniem rozwiązań opartych na tym materiale, przyczynią się do sukcesu rynkowego tej technologii. Elementy oparte o GaN znajdą się niebawem częściej w zasilaczach o wysokiej wydajności, małej obudowie i coraz wyższej mocy.
Obecnie na rynku tranzystorów mocy GaN HEMT jest wielu graczy, w tym zarówno stosunkowo nowe start-upy, jak i duże firmy o ustalonej pozycji. W tej chwili wydaje się, że istnieją odrębne nisze rynkowe dla technologii Si i SiC, i należy spodziewać się, że postępujące innowacje posuną cały sektor naprzód, dzięki czemu GaN stanie się większym graczem w sektorze zasilaczy impulsowych.
Źródło: https://www.eetimes.com/author.asp?section_id=36&doc_id=1334920
Zasilacze sieciowe i ładowarki są stałym przypomnieniem, że urządzenia mobilne, nie są aż tak mobilne, jak byśmy chcieli. Każde urządzenie mobilne musi być regularnie ładowane, najczęściej z sieci. Podczas gdy wymagania co do technologii ładowania baterii pozostają takie same, technologia ładowania się zmienia. Urządzenia krzemowe są dojrzałą technologią w tej dziedzinie, ale producenci rozważają obecnie zastosowanie węglika krzemu (SiC) i azotku galu (GaN), aby osiągnąć większą sprawność tych urządzeń.
Początkowo większość zasilaczy AC była liniowym zasilaczem, który łączył transformator z mostkiem prostowniczym i baterią kondensatorów filtrujących, aby przekształcić napięcie AC z sieci na prąd stały niskiego napięcia odpowiedni do np. ładowania akumulatora. Adaptery te były ograniczone do określonych napięć wejściowych prądu zmiennego, aby utworzyć określone napięcia stałe na wyjściu i na ogół nie mogą być używane na całym świecie. Były również ciężkie, niewygodne, a dla każdego urządzenia wymagającego zasilania prądem stałym wymagany był zwykle inny zasilacz. Ponadto technologia oparta na transformatorze i układzie liniowym była mało wydajna, ponieważ niepotrzebnie rozpraszana była moc, która przekształcana była w ciepło i rozpraszała się nawet wtedy, gdy zasilacz nie był obciążony.
Zasilacze impulsowe (SMPS) stopniowo wypierają technologię opartą na transformatorach liniowych już od lat '80 XX wieku. Stosowane są różne topologie obwodów, ale zasadniczo wszystkie są oparte na tej samej zasadzie. Napięcie przemienne jest prostowane do wysokiego napięcia stałego, które napędza obwód impulsowy. Zawiera on transformator działający przy wysokiej częstotliwości, za którym znajduje się prostownik i filtr z którego i wyprowadza się zadane napięcie stałe.
Ogromną zaletą układów SMPS jest to, że mogą być używane z różnymi napięciami i częstotliwościami wejściowymi po stronie pierwotnej, dzięki czemu można wytwarzać „międzynarodowe” zasilacze. Ponadto mogą być one łatwo skonfigurowane do wytwarzania różnych napięć wyjściowych. Regulacja napięcia jest osiągana przez zmianę stosunku czasu włączenia do wyłączenia obwodu przełączającego wysokiego napięcia.
Stosunkowo nowy standard zasilania USB-C ma na celu zapewnienie zmiennej mocy ładowania - do 100 W (np. 20 V i 5 A), dzięki czemu pojedynczy zasilacz sieciowy może być następnie używany do ładowania szerokiej gamy urządzeń. Ponadto kable takie są dwukierunkowe, co oznacza, że ten sam kabel może być używany do ładowania laptopa z monitora lub smartfona z laptopa. Moc i napięcie ładowania są konfigurowane dynamicznie, gdy urządzenia są ze sobą połączone.
SMPS do zastosowań konsumenckich zwykle wymaga tranzystora polowego (FET) o napięciu pracy około 600 V. Ten FET służy do przełączania wysokiego napięcia z wysoką częstotliwością. Napięcie to następnie podawane jest na transformator w przetwornicy. Odpowiednie szerokopasmowe FET można wytwarzać za pomocą azotku galu (GaN), węglika krzemu (SiC) lub krzemu (Si). Silikonowa super-złączowa technologia MOSFET obecnie dominuje na rynku zasilaczy AC dla urządzeń mobilnych, ale elementy wykonane z GaN i SiC obiecują wyższą wydajność i mniejsze rozmiary.
Proponowane urządzenia GaN to tranzystory lateralne o wysokiej mobilności elektronów (HEMT) utworzone na podłożach GaN-na-Si. Istnieje kilka wdrożeń technologii szerokoprzerwowej na rynku zasilaczy sieciowych, ale jak dotąd żaden z głównych producentów OEM nie przyjął tej technologii. Przyjrzyjmy się bliżej trzem urządzeniom wykorzystującym nowoczesne technologie i porównajmy je.
Tranzystory z węglika krzemu (SiC)
W 2016 roku analitycy z TechInsights analizowali ładowarkę do laptopów Avogy Zolt (model ZM070LTPX01-G). Firma Avogy twierdziła, że jest dostawcą urządzeń GaN, ale analitycy odkryli, że Zolt zawiera FET mocy wykonany z SiC, prawdopodobnie wyprodukowany przez Cree, ale zapakowany z oznaczeniami Avogy.
Specjaliści z PntPower.com stwierdzili następnie, że jednym z powodów, dla których Avogy używał urządzenia SiC było to, że był on dostępny w tym czasie na rynku. Zdjęcie po prawej stronie przedstawia płytę główną ładowarki do laptopa Zolt, ze wskazaną lokalizacją układu AV150-00028 wykonanego z węglika krzemu.
Avogy nie istnieje już jako niezależna firma, ale Avogy Zolt jest nadal dostępny do zakupu za pośrednictwem sprzedawców zewnętrznych. TechInsights wyśledziło aż 14 zwycięstw technologicznych dla projektu Zolt w firmach takich jak Infineon, Maxim, Microchip i Texas Instruments.
Elementy z azotku galu (GaN)
Od 2016 roku technologia GaN poczyniła znaczne postępy na rynku komercyjnym. Coraz więcej dostawców oferuje obecnie zasilacze oparte na takich układach. Są wśród nich dostawcy tacy jak RAVPower, Anker, FINsix czy Made in Mind (Mu One).
Wielu dostawców oferuje obecnie urządzenia GaN FET, począwszy od małych startupów, takich jak GaN Systems i Navitas, aż po dużych graczy, takich jak Infineon czy Panasonic. Niedawno firma TechInsights opublikowała wyniki analizy ładowarki USB RAVPower RP-PC104 45 W, która była reklamowana jako zawierająca elementy GaN.
"Odkryliśmy, że RP-PC104 zawiera dwa układy scalone NavNas NV6115 z GaN" wskazują inżynierowie badający ten system. Zdjęcie po prawej stronie przedstawia główną płytkę drukowaną zasilacza RP-PC104 z zaznaczonymi lokalizacjami układów Navitas NV6115.
Elementy Navitas znaleźć można też w ładowarce Made in Mind Mu One 45 W oraz w ładowarce Aukey PA-U50 24 W USB. Ładowarka Mu One miała zasadniczo taką samą konstrukcję jak ładowarka RavPower. Oba wydają się być oparte na projektach referencyjnych stworzonych przez Navitas.
Aukey PA-U50 cieszył się szczególnym zainteresowaniem techników, ponieważ zawierał nowy zintegrowany półmostek - Navitas NV6250, który jest obecnie szczegółowo analizowany przez specjalistów z TechInsights. Zdjęcie po prawej stronie pokazuje zintegrowaną matrycę elementów GaN HEMT w NV6115 z ładowarki RP-PC10.
Nowoczesne tranzystory krzemowe (Si)
Firma TechInsights badała niedawno również zasilacz Innergie 60C z złączem USB-C o mocy 60 W. Wyprodukowany był przez Delta Electronics Group i miał zawierać zawierać elementy GaN. Internetowe plotki sugerowały alternatywnie, że urządzenie zawierać może nowy MOSFET o napięciu 600 V od Infineona
- CoolMOS i że Delta zasłania oznaczenia tych elementów farbą ochronną.
Analiza Innergie 60C przez TechInsights potwierdziła zarówno obecność elementu IPL60R185C7 od Infineona, jak i zastosowanie farby zabezpieczającej. Nie znaleziono natomiast komponentu z GaN.
Zdjęcie po prawej stronie pokazuje jedną z kilku małych płytek drukowanych znalezionych w zasilaczu Innergie 60C. Lokalizacja CoolMOSa od Infineona - IPL60R185C7 z ukrytymi oznaczeniami jest zaznaczona na zdjęciu. TechInsights planuje przeprowadzić szczegółową analizę tego elementu w najbliższej przyszłości.
Podsumowanie
Co ciekawe, w przypadku trzech zaprezentowanych powyżej zasilaczy, wydaje się, że to Innergie 60C zapewnia najlepszą ogólną sprawność systemu (patrz tabela poniżej).
Jedną z miar sprawności ładowarki mobilnej jest jej gęstość mocy, czyli waty wytwarzane na cal sześcienny objętości. Innergie 60C jest wyraźnym zwycięzcą w tej konkurencji, z najwyższą gęstością mocy, wynoszącą 17,4 W/in³. Starsza konstrukcja - Avogy Zolt - ma z kolei największą objętość i najniższą gęstość mocy.
Delta, producent Innergie 60C, jest uznanym producentem zasilaczy. Firma twierdzi, że produkuje ok. 80 milionów adapterów do notebooków rocznie. Prawdopodobnie konstrukcja Innergie 60C jest dużo lepiej zoptymalizowana niż pozostałych. W przypadku urządzeń opartych na GaN wymagana jest dalsza optymalizacja, jeśli mają one skutecznie konkurować z krzemową technologią MOSFET.
Kontrola kilku komercyjnych ładowarek od głównych producentów OEM, w tym urządzeń dostarczanych z Google Pixel 3, Huawei Mate 200 Pro i szybkiej ładowarki dla Nokia 9 PureView, wykazała, że we wszystkich tych elementach znajdują się krzemowe MOSFETy. Wyraźnie widać zatem, że technologia Si nadal dominuje na tym rynku.
Ze względu na stosunkowo wysoki koszt technologii SiC jest mało prawdopodobne, aby osiągnęła ona szeroki sukces na rynku zasilaczy. Zamiast tego technologia ta jest lepiej dostosowana do zastosowań wysokonapięciowych i skutecznie wypiera krzemowe moduły IGBT na rynku pojazdów elektrycznych i hybrydowych.
Firma TechInsights odkryła również, że zasilacze z GaN nie przewyższają jeszcze wysokiej jakości zasilaczy opartych na krzemowych elementach pod względem gęstości mocy. Niemniej jednak. znane korzyści technologiczne GaN w połączeniu z powszechnym zainteresowaniem przemysłu opracowywaniem rozwiązań opartych na tym materiale, przyczynią się do sukcesu rynkowego tej technologii. Elementy oparte o GaN znajdą się niebawem częściej w zasilaczach o wysokiej wydajności, małej obudowie i coraz wyższej mocy.
Obecnie na rynku tranzystorów mocy GaN HEMT jest wielu graczy, w tym zarówno stosunkowo nowe start-upy, jak i duże firmy o ustalonej pozycji. W tej chwili wydaje się, że istnieją odrębne nisze rynkowe dla technologii Si i SiC, i należy spodziewać się, że postępujące innowacje posuną cały sektor naprzód, dzięki czemu GaN stanie się większym graczem w sektorze zasilaczy impulsowych.
Źródło: https://www.eetimes.com/author.asp?section_id=36&doc_id=1334920
Fajne? Ranking DIY
