Стандартные пол-ампера от USB 2.0 когда-то казались абсолютно разумной величиной. А мобильники (да и смартфоны) заряжались всю ночь. Сейчас скорость зарядки гаджета меньше 50% в час кажется нам каким-то архаизмом и дикостью. Как и огромные блоки питания размером с полтелефона. Во многом мощный и компактный зарядник стал доступен благодаря одному материалу — нитриду галлия. О нём сегодня и поговорим.
Знакомьтесь, нитрид галлия. Правда, красивый? Изображение: Solid_State / Wikimedia Commons
На заре становления «Хабра» мы восхищались смартфоном HTC HD2: его 4,3 дюйма диагонали казались чем-то невероятным, а батарейка на 1200 мА·ч вызывала искреннее уважение. Сегодня, конечно, эти цифры вызывают лишь улыбку: экраны флагманов стали больше вдвое, а аккумуляторы — втрое. Вместе с ростом производительности, числа камер и объёмов АКБ растёт и популярность технологии быстрой зарядки, что и неудивительно — если для батареи на 1500–1700 мА·ч было достаточно и адаптера на 5 Вт, то к настоящему времени на рынке полно смартфонов с аккумуляторами более чем на 4500 мА·ч.
Частично решили проблему стандарты Quick Charge и Power Delivery, а также большое количество проприетарных вариаций на тему ускоренной зарядки от производителей смартфонов. Само собой, это требовало специальных зарядных контроллеров и сложных алгоритмов (никто же не хочет устроить короткое замыкание в литиевой батарейке, как было с Galaxy Note 7). Все способы ускоренного пополнения заряда в том или ином виде опирались на увеличение мощности зарядного устройства: через повышение напряжения или рабочего тока. Побочным эффектом таких нововведений стал рост рабочих температур элементов цепей и размеров БП. И тут на выручку пришёл новый материал — нитрид галлия (GaN), который уже использовался в полупроводниках и микроэлектронике.
В большинстве текущих полупроводниковых элементов уже не первое десятилетие используется кремний — один из самых распространённых элементов таблицы Менделеева. С ним сравнительно легко работать и в большинстве случаев его характеристик достаточно для обеспечения рабочих свойств выпускаемой продукции. К сожалению, существуют и сферы применения, где возможности этого материала стали «бутылочным горлышком».
В двух словах полезность нитрида галлия можно описать следующим примером: в импульсном блоке питания целевое напряжение получается многократным включением и выключением транзисторов (пропускающих или отключающих ток в цепи) с заданным таймингом. Так вот, при переключении классического кремниевого транзистора из проводящего состояния в изолирующее выделяется большое количество тепла, что снижает эффективность работы и ограничивает применение таких элементов в мощных источниках питания.
Синий полупроводниковый лазер обычно использует нитрид галлия или его сплав с индием для получения нужной длины волны. Фото: Pang Kakit / Wikimedia Commons
Основное преимущество нитрида галлия заключается в ключевой характеристике полупроводника: ширине запрещённой зоны. В широком понимании «запрещённая зона» показывает разницу в энергиях электрона, которая отличает проводящее ток состояние от валентного (т.е. непроводящего). С ростом температур меняются характеристики полупроводника, т.к. тепловые колебания атомов материала повышают энергию электронов и «выбивают» их в проводящее состояние.
Особенностью GaN-транзисторов является крайне широкая запрещённая зона — 3,40 эВ против 1,12 эВ у кремниевых аналогов. В цепях питания (которые особенно подвержены нагреву в процессе работы) подобное преимущество позволяет сохранять постоянные характеристики работы и не снижать эффективность при более высоких температурах. Помимо этого, благодаря высокой плотности носителей заряда GaN-транзисторы выдерживают гораздо большие токи. Да и в целом кристаллы нитрида галлия сами по себе более устойчивы к воздействию высоких температур.
Первые исследования его свойств начались ещё в 40-х годах XX века, а уже в середине 90-х годов прошлого столетия он стал рассматриваться как один из самых перспективных оптоэлектронных материалов. Стоит отметить, что именно в оптоэлектронике он и нашёл широкое применение в первую очередь: нитрид галлия — одно из немногих веществ, способных генерировать излучение в синем спектре. Поэтому он применяется, например, в тех самых лазерах для Bluray-приводов. А ещё его хотят использовать в устойчивых к УФ-излучению солнечных батареях, но об этом можно рассказать отдельную историю.
Структуры на основе GaN оказались пригодны не только для оптических приборов. Описанные выше характеристики оказались полезными для разработки компонентной базы силовой и СВЧ‑электроники, включая транзисторы. Ещё одним немаловажным нюансом, который позволил нитриду галлия всерьёз претендовать на всеобщее признание, стала цена и безопасность: занимавший ранее его место арсенид галлия (соединение галлия и мышьяка) чрезвычайно сложно производить, вдобавок GaAs может образовывать токсические и канцерогенные соединения.
Микрофотография скоростного GaN-транзистора, работающего с напряжением 100 вольт. Фото: Fraunhofer IAF
Да, сегодня кремниевые полупроводники обходятся дешевле за счёт того что сам процесс уже досконально изучен, производство отлажено, а сырьё гораздо доступнее. Однако даже с такими оговорками разница в стоимости не достигает значимых величин и слабо влияет на цену конечной продукции. Если же говорить о перспективе, то широкомасштабный переход на GaN и вовсе сулит экономию средств за счёт снижения электропотребления на 10–20% в сравнении с электроникой с кремниевыми транзисторами.
Так как единственный способ снизить нагрев транзисторов — заставить их работать не в полную силу (т.е. взять элементную базу с большим запасом) мощные импульсные источники питания на основе кремния получаются внушительных размеров. Способность GaN-транзисторов работать при высоких температурах и компактность таких моделей позволяет значительно снизить необходимый объём корпуса для размещения и охлаждения начинки. Например, размеры адаптера питания для ноутбука или смартфона можно уменьшить примерно вдвое при сохранении характеристик. Обратное тоже верно: можно сохранить общий размер ЗУ и улучшить его характеристики.
И действительно компактнее — при той же мощности. Фото: Anker
Причины, по которым это становится возможным, лежат на поверхности. Высокая плотность и широкая запрещённая зона нитрида галлия позволяют значительно повысить КПД конечных устройств. Если для кремниевых транзисторов даже показатель в 95% считается очень достойным, то для решений на базе GaN он достигает 98–99%. С учётом мощности современных адаптеров питания это значительно снижает количество выделяемого тепла, выступающего ограничителем для режимов работы кремниевых полупроводников. Да и упомянутая способность GaN-компонентов работать при более высоких температурах позволяет выжать ещё немного мощности при прочих равных.
Разумеется, переход на нитрид галлия не означает какую-то революцию, особенно если рассматривать его именно в разрезе зарядных устройств для гаджетов. По большому счёту, такой «апгрейд» лишь приближают их к возможностям и потребностям современных смартфонов, которые стали остро нуждаться в адаптерах высокой мощности. Поэтому нет ничего удивительного в том, что, производители мобильной техники не смогли пройти мимо перспективного материала.
Изображение: Anker
Практически все крупные вендоры на данный момент заняты собственными исследованиями в области применения GaN в зарядных устройствах для своих аппаратов, и её грядущее массовое применение не вызывает сомнений. Впрочем, для того, чтобы лично оценить прелести адаптеров питания на базе нитрида галлия, не обязательно ждать несколько лет. Уже сейчас на рынке присутствуют зарядные устройства Anker, которые уже несколько лет используют преимущества GaN.
Компания Anker уже долгое время специализируется на разработке и производстве зарядных устройств, и пройти мимо столь перспективного материала нам было просто невозможно. Оценка перспектив нитрида галлия позволила не только применить его при создании мощных зарядных устройств, но и создать по-настоящему универсальный блок питания, подходящий и для смартфонов, и для лэптопов с питанием по Type-C. Добавьте сюда поддержку сразу нескольких протоколов быстрой зарядки — и подобным БП пользователь сможет зарядить практически любой гаджет быстро и эффективно вне зависимости от бренда.
Результатом работы наших инженеров стало появление целой линейки адаптеров Anker Atom с применением GaN-транзисторов в силовой части. Всё началось с единственного зарядника в 2017 году — а сейчас семейство расширилось и включает сразу несколько решений. Например, Anker Atom PD1, при габаритах сопоставимых со стандартными моделями зарядников на 10 Вт, обеспечивает выходную мощность до 30 Вт и совместим с технологией Power Delivery. Он оптимизирован для работы с актуальными моделями iPhone и Samsung, позволяя заряжать эти гаджеты на повышенной скорости. В сравнении со штатным зарядным устройством того же iPhone XS он обеспечивает более чем двукратный прирост скорости зарядки. Его же можно использовать и для зарядки лэптопов MacBook Pro и Air.
ЗУ PowerPort Atom III на 60 Вт с двумя разъёмами Изображение: anker.com
Для пользователей более прожорливых ноутбуков есть продвинутая модель — Anker Atom PD2. Она несколько крупнее миниатюрного Atom PD1, но способна выдавать уже до 60 Вт мощности при зарядке одного устройства. Или обеспечить сразу пару гаджетов питанием до 30 Вт — спасибо двум разъёмам на корпусе и схеме параллельного питания.
Кроме того, стоит обратить внимание на зарядное устройство Atom III с мощностью 60 Вт. Оно также представлено в двух версиях — с одним и двумя разъёмами и поддержкой технологий быстрой зарядки трёх популярных форматов: Apple Fast Charging, Samsung Fast Charging и USB-C Power Delivery.
Знакомьтесь, нитрид галлия. Правда, красивый? Изображение: Solid_State / Wikimedia Commons
На заре становления «Хабра» мы восхищались смартфоном HTC HD2: его 4,3 дюйма диагонали казались чем-то невероятным, а батарейка на 1200 мА·ч вызывала искреннее уважение. Сегодня, конечно, эти цифры вызывают лишь улыбку: экраны флагманов стали больше вдвое, а аккумуляторы — втрое. Вместе с ростом производительности, числа камер и объёмов АКБ растёт и популярность технологии быстрой зарядки, что и неудивительно — если для батареи на 1500–1700 мА·ч было достаточно и адаптера на 5 Вт, то к настоящему времени на рынке полно смартфонов с аккумуляторами более чем на 4500 мА·ч.
Частично решили проблему стандарты Quick Charge и Power Delivery, а также большое количество проприетарных вариаций на тему ускоренной зарядки от производителей смартфонов. Само собой, это требовало специальных зарядных контроллеров и сложных алгоритмов (никто же не хочет устроить короткое замыкание в литиевой батарейке, как было с Galaxy Note 7). Все способы ускоренного пополнения заряда в том или ином виде опирались на увеличение мощности зарядного устройства: через повышение напряжения или рабочего тока. Побочным эффектом таких нововведений стал рост рабочих температур элементов цепей и размеров БП. И тут на выручку пришёл новый материал — нитрид галлия (GaN), который уже использовался в полупроводниках и микроэлектронике.
Что за нитрид галлия и зачем он нужен?
В большинстве текущих полупроводниковых элементов уже не первое десятилетие используется кремний — один из самых распространённых элементов таблицы Менделеева. С ним сравнительно легко работать и в большинстве случаев его характеристик достаточно для обеспечения рабочих свойств выпускаемой продукции. К сожалению, существуют и сферы применения, где возможности этого материала стали «бутылочным горлышком».
В двух словах полезность нитрида галлия можно описать следующим примером: в импульсном блоке питания целевое напряжение получается многократным включением и выключением транзисторов (пропускающих или отключающих ток в цепи) с заданным таймингом. Так вот, при переключении классического кремниевого транзистора из проводящего состояния в изолирующее выделяется большое количество тепла, что снижает эффективность работы и ограничивает применение таких элементов в мощных источниках питания.
Синий полупроводниковый лазер обычно использует нитрид галлия или его сплав с индием для получения нужной длины волны. Фото: Pang Kakit / Wikimedia CommonsОсновное преимущество нитрида галлия заключается в ключевой характеристике полупроводника: ширине запрещённой зоны. В широком понимании «запрещённая зона» показывает разницу в энергиях электрона, которая отличает проводящее ток состояние от валентного (т.е. непроводящего). С ростом температур меняются характеристики полупроводника, т.к. тепловые колебания атомов материала повышают энергию электронов и «выбивают» их в проводящее состояние.
Особенностью GaN-транзисторов является крайне широкая запрещённая зона — 3,40 эВ против 1,12 эВ у кремниевых аналогов. В цепях питания (которые особенно подвержены нагреву в процессе работы) подобное преимущество позволяет сохранять постоянные характеристики работы и не снижать эффективность при более высоких температурах. Помимо этого, благодаря высокой плотности носителей заряда GaN-транзисторы выдерживают гораздо большие токи. Да и в целом кристаллы нитрида галлия сами по себе более устойчивы к воздействию высоких температур.
Всё новое — хорошо забытое старое
Первые исследования его свойств начались ещё в 40-х годах XX века, а уже в середине 90-х годов прошлого столетия он стал рассматриваться как один из самых перспективных оптоэлектронных материалов. Стоит отметить, что именно в оптоэлектронике он и нашёл широкое применение в первую очередь: нитрид галлия — одно из немногих веществ, способных генерировать излучение в синем спектре. Поэтому он применяется, например, в тех самых лазерах для Bluray-приводов. А ещё его хотят использовать в устойчивых к УФ-излучению солнечных батареях, но об этом можно рассказать отдельную историю.
Структуры на основе GaN оказались пригодны не только для оптических приборов. Описанные выше характеристики оказались полезными для разработки компонентной базы силовой и СВЧ‑электроники, включая транзисторы. Ещё одним немаловажным нюансом, который позволил нитриду галлия всерьёз претендовать на всеобщее признание, стала цена и безопасность: занимавший ранее его место арсенид галлия (соединение галлия и мышьяка) чрезвычайно сложно производить, вдобавок GaAs может образовывать токсические и канцерогенные соединения.
Микрофотография скоростного GaN-транзистора, работающего с напряжением 100 вольт. Фото: Fraunhofer IAFДа, сегодня кремниевые полупроводники обходятся дешевле за счёт того что сам процесс уже досконально изучен, производство отлажено, а сырьё гораздо доступнее. Однако даже с такими оговорками разница в стоимости не достигает значимых величин и слабо влияет на цену конечной продукции. Если же говорить о перспективе, то широкомасштабный переход на GaN и вовсе сулит экономию средств за счёт снижения электропотребления на 10–20% в сравнении с электроникой с кремниевыми транзисторами.
Практическое применение
Так как единственный способ снизить нагрев транзисторов — заставить их работать не в полную силу (т.е. взять элементную базу с большим запасом) мощные импульсные источники питания на основе кремния получаются внушительных размеров. Способность GaN-транзисторов работать при высоких температурах и компактность таких моделей позволяет значительно снизить необходимый объём корпуса для размещения и охлаждения начинки. Например, размеры адаптера питания для ноутбука или смартфона можно уменьшить примерно вдвое при сохранении характеристик. Обратное тоже верно: можно сохранить общий размер ЗУ и улучшить его характеристики.
И действительно компактнее — при той же мощности. Фото: AnkerПричины, по которым это становится возможным, лежат на поверхности. Высокая плотность и широкая запрещённая зона нитрида галлия позволяют значительно повысить КПД конечных устройств. Если для кремниевых транзисторов даже показатель в 95% считается очень достойным, то для решений на базе GaN он достигает 98–99%. С учётом мощности современных адаптеров питания это значительно снижает количество выделяемого тепла, выступающего ограничителем для режимов работы кремниевых полупроводников. Да и упомянутая способность GaN-компонентов работать при более высоких температурах позволяет выжать ещё немного мощности при прочих равных.
Разумеется, переход на нитрид галлия не означает какую-то революцию, особенно если рассматривать его именно в разрезе зарядных устройств для гаджетов. По большому счёту, такой «апгрейд» лишь приближают их к возможностям и потребностям современных смартфонов, которые стали остро нуждаться в адаптерах высокой мощности. Поэтому нет ничего удивительного в том, что, производители мобильной техники не смогли пройти мимо перспективного материала.
Изображение: AnkerПрактически все крупные вендоры на данный момент заняты собственными исследованиями в области применения GaN в зарядных устройствах для своих аппаратов, и её грядущее массовое применение не вызывает сомнений. Впрочем, для того, чтобы лично оценить прелести адаптеров питания на базе нитрида галлия, не обязательно ждать несколько лет. Уже сейчас на рынке присутствуют зарядные устройства Anker, которые уже несколько лет используют преимущества GaN.
Anker и GaN
Компания Anker уже долгое время специализируется на разработке и производстве зарядных устройств, и пройти мимо столь перспективного материала нам было просто невозможно. Оценка перспектив нитрида галлия позволила не только применить его при создании мощных зарядных устройств, но и создать по-настоящему универсальный блок питания, подходящий и для смартфонов, и для лэптопов с питанием по Type-C. Добавьте сюда поддержку сразу нескольких протоколов быстрой зарядки — и подобным БП пользователь сможет зарядить практически любой гаджет быстро и эффективно вне зависимости от бренда.
Результатом работы наших инженеров стало появление целой линейки адаптеров Anker Atom с применением GaN-транзисторов в силовой части. Всё началось с единственного зарядника в 2017 году — а сейчас семейство расширилось и включает сразу несколько решений. Например, Anker Atom PD1, при габаритах сопоставимых со стандартными моделями зарядников на 10 Вт, обеспечивает выходную мощность до 30 Вт и совместим с технологией Power Delivery. Он оптимизирован для работы с актуальными моделями iPhone и Samsung, позволяя заряжать эти гаджеты на повышенной скорости. В сравнении со штатным зарядным устройством того же iPhone XS он обеспечивает более чем двукратный прирост скорости зарядки. Его же можно использовать и для зарядки лэптопов MacBook Pro и Air.
ЗУ PowerPort Atom III на 60 Вт с двумя разъёмами Изображение: anker.comДля пользователей более прожорливых ноутбуков есть продвинутая модель — Anker Atom PD2. Она несколько крупнее миниатюрного Atom PD1, но способна выдавать уже до 60 Вт мощности при зарядке одного устройства. Или обеспечить сразу пару гаджетов питанием до 30 Вт — спасибо двум разъёмам на корпусе и схеме параллельного питания.
Кроме того, стоит обратить внимание на зарядное устройство Atom III с мощностью 60 Вт. Оно также представлено в двух версиях — с одним и двумя разъёмами и поддержкой технологий быстрой зарядки трёх популярных форматов: Apple Fast Charging, Samsung Fast Charging и USB-C Power Delivery.
