La integración de las soluciones de nitruro de galio (GaN) permite la siguiente caja más pequeña con más potencia. OPPO ha anunciado que adoptará por completo el IC de potencia GaN (GaNFast) de Navitas Semiconductor para permitir la producción de un cargador de batería rápido ultrafino de 50W.
El nuevo cargador mide 82 x 39 x 10,5 mm y pesa solo 60 gramos. El mini cargador ofrece 50 W a través del protocolo de carga rápida SuperVOOC pionero de OPPO o la especificación de fuente de alimentación programable (PPS) USB-C. Dispositivo flexible para cargar smartphones, tablets y portátiles pequeños.
Jialiang (Jeff) Zhang, científico jefe de tecnología de carga de OPPO, dijo:
Gene Sheridan, CEO de Navitas Semiconductor, dijo: “No es solo un transistor de potencia. Integra analógico, lógica y potencia, todo en un solo chip. Cuanta más integración haga, más rápida será la conmutación y mejor será el punto de costo. Por supuesto, el diseño GaN ha revolucionado el industria de cargadores móviles con nuestro alto grado de integración, con más de 40 productos lanzados utilizando nuestra tecnología OPPO ha hecho el anuncio más sorprendente: un cargador rápido de 50 W de solo 36 cm3 Esto es aproximadamente 70% a 80% más pequeño que la generación anterior. Este es un logro técnico extraordinario. ”
GaN frente a Si
El problema es el silicio (Si). Está limitado a unos 100 kHz, y tratar de impulsarlo con más fuerza introduce calor, complejidad y costos inmanejables. Además, los imanes de baja frecuencia tienen problemas, no son lo suficientemente rápidos y si intentas conducirlos a esa velocidad, te reducirán la velocidad.
Mucha gente usa topologías de “conmutación dura” que introducen muchas pérdidas de conmutación, y el aumento de la frecuencia reduce la eficiencia debido al aumento de la inductancia parásita. Además, las topologías más antiguas y los circuitos integrados de control tradicionales no pueden funcionar lo suficientemente rápido. Entonces, el primer paso es resolver el problema del interruptor con la tecnología GaN.
Rendimiento fundamental de los dispositivos de Si en comparación con 4H SiC y GaN, es decir, campo eléctrico crítico y movilidad del portador (Fuente: Navitas)
Históricamente, los primeros dispositivos de GaN implementados fueron “modo de agotamiento” (modo d) y dispositivos normalmente encendidos, lo que significaba que se requería un interruptor de Si adicional en serie con el interruptor de GaN.
Dado que los primeros dispositivos de “modo de mejora” (modo electrónico) normalmente apagados tenían puertas expuestas y vulnerables, la regulación de voltaje requería circuitos de accionamiento complejos y costosos para evitar un funcionamiento inestable.
La solución GaNFast de Navitas consta de conmutadores GaN (transistores de efecto de campo (FET)) con unidad analógica monolíticamente integrada y lógica digital integrada en el mismo chip que los dispositivos de alimentación GaN.
Dispositivos Navitas GaN conmutados hasta 40 MHz para investigación académica. Para las plataformas comerciales, los circuitos integrados de potencia GaNFast totalmente integrados tienen una clasificación de 2 MHz. Esto es dos veces más rápido que cualquier controlador disponible. La operación de alta velocidad reduce significativamente el tamaño y el costo de la conversión de energía en los sistemas de carga rápida.
Navitas IC (Fuente: Navitas)
El retraso de propagación es muy bajo usando GaN y una solución de control integrada. “Al integrar la unidad en el chip, el ciclo de apagado de la fuente de la puerta tiene inductancia cero”, dice Sheridan. “Puede controlar este dispositivo muy bien y mantener el interruptor apagado en condiciones de máxima velocidad de ‘velocidad de cambio’ de voltaje [dV/dt] 200 V/ns máx. ”
A medida que los diseñadores intentan reducir el tamaño de sus cargadores, la densidad térmica (simplemente “calor”) puede convertirse en un problema. “La nueva serie NV612x utiliza una almohadilla de enfriamiento avanzada para ofrecer una reducción de temperatura de 10 a 15 °C, una interfaz térmica mejorada a la PCB y una conexión eléctrica directa a tierra del sistema”, dijo Sheridan.
Esta solución ayuda a los diseñadores a superar todas las especificaciones térmicas y las aprobaciones de las agencias. Se utilizan no solo en teléfonos inteligentes, sino también en soluciones de energía como computadoras portátiles y televisores.
Hace unas semanas, Lenovo y Navitas Semiconductor anunciaron el cargador más rápido y potente para los deportes electrónicos Legion. Se ha puesto en producción en masa un cargador rápido que utiliza energía GaNFast y se suministra “en la caja” con cada teléfono Legion.
“Con la tecnología GaN de próxima generación, nuestro cargador de salida dual USB-C de 90 W ofrece un 40 % más de potencia y carga un 25 % más rápido que nuestro hardware anterior, el mejor de su clase”, dijo Sheridan. . “La velocidad del cargador Legion es comparable a la potencia de procesamiento de un teléfono de esports”.
GaN para nuevas fuentes de alimentación
GaN funciona hasta 20 veces más rápido que el silicio más antiguo y más lento y permite 3 veces más potencia, por lo que puede cargar hasta 3 veces más rápido, pero solo la mitad del tamaño y el peso. Los circuitos integrados de alimentación GaNFast de Navitas integran circuitos lógicos, analógicos y de alimentación de GaN en el mismo chip a nivel de oblea y aprovechan esta integración para permitir un funcionamiento de alta velocidad.
“Tradicionalmente, para la mayoría de los transistores GaN, cómo manejarlos y protegerlos sigue siendo un problema”, dijo Sheridan. “Son transistores increíblemente rápidos y eficientes, pero la necesidad de impulsar y proteger puertas sensibles los ralentiza o agrega costos y complejidad que realmente arruina la propuesta de valor. La confiabilidad de GaN ha sido probada y creo que EPC, Transphorm y Navitas lo están haciendo bien en esta parte y le están mostrando al mundo cómo se pueden resolver estos problemas. Especialmente para las fuentes de alimentación de GaN, vemos características integradas de manejo y protección que impulsan el rendimiento, la alta frecuencia, la alta eficiencia y el bajo costo”.
Las bajas frecuencias de conmutación en la electrónica actual significan componentes magnéticos, condensadores y elementos de almacenamiento de energía voluminosos, pesados y caros. Si se pueden aumentar estas frecuencias, los dispositivos se pueden hacer más pequeños, más livianos y menos costosos. Sin embargo, la electrónica actual basada en Si no puede hacerlo, permaneciendo en las decenas de kilohercios.
Para Mini SuperVOOC de 50 W, la solución GaNFast cambió la topología de potencia hacia un flyback de pinza activa (ACF) “pulsado”. Puede soportar una amplia gama de voltajes de entrada mientras mantiene una salida constante para cargar baterías de teléfonos celulares. Esto permite que el diseñador elimine el “condensador a granel” electrolítico del sistema, que representa el 40% del volumen total.
Además, los transformadores tradicionales de 50 kHz con bobinado de cable con alturas superiores a 20 mm se pueden reemplazar por nuevos transformadores planos livianos de alta velocidad de 800 kHz con un factor de forma de perfil de 8 mm.
Los próximos mercados a observar son la carga inalámbrica y los centros de datos. Los centros de datos continúan inundados de datos y el uso de energía es proporcional. Así que una buena gestión de la energía es importante aquí.
“Tenemos chips de silicio viejos en nuestros centros de datos que están causando problemas de consumo de calor y energía”, dijo Sheridan. “Por lo tanto, vemos a los centros de datos como el próximo gran mercado para GaN, así como para los vehículos eléctricos, que tienen demandas de alta potencia. Estamos muy entusiasmados con estas oportunidades. Trabajamos continuamente juntos en movilidad eléctrica y centros de datos para mejorar el % , lo que significa que se destina un 30 % más de energía al procesador o a la batería en lugar de desperdiciarse en forma de calor”.
Las soluciones de GaN permiten el desarrollo de diseños de adaptadores más eficientes y compactos. Proporcionan los transistores más rápidos del mundo, que son esenciales para la conversión de energía ultraeficiente.