本文来自微信公众号：与非网eefocus （ID：ee-focus），作者：刘浩然，原文标题：《从“五福一安”到300W秒充，电源芯片“负重前行”》，题图来自：视觉中国
最近我们被一条新闻吸引了眼球：小米发布300W“秒充”技术，手机仅需5分钟就能把电池充满。
300W是什么概念？这个功率都可以带动RTX4080显卡满负荷运转了，而iPhone14标配的充电头功率也才29W，国产品牌效率能打10个苹果。手机充电速度什么时候变得这么快了？
快充时代的到来，让我们不再拘泥于出门前特意安排充电时间。目前60W~100W的充电功率在安卓平台普及，已经让我们的日常生活感到便利。不过，在这个手机随插随用的时代，你还记得曾经守着手机充电等待出门的时光吗？手机充电器又是怎么从“五伏一安”进化到上百瓦充电的？
充电器“前芯片”时代
很多人或许还对2G、3G时代的手机有印象，那时的手机充电器头被称为“黑疙瘩”。这是因为那时的充电器都在使用变压器，由于物理限制，要想做到较高的电磁转化率，变压器必须要做到很大，铜线缠绕线圈够多才行。理论上通过的电流越大，充电器的体积也就越大。
传统充电器头的结构通常包含变压器线圈、整流器、基准电压源、光耦反馈等元器件。而它的核心结构就是一个硕大的变压器。
变压器
手机充电器中的变压器由两组线圈与铁芯组成，它利用法拉第电磁感应定律来改变交流电的电压，不改变电源频率。从图片上看，220V市电从左边的线圈中流入，并在铁芯中产生磁场，这个变化的磁场通过铁芯传到右边的线圈并产生感应电流。在理想的情况下，左右两边线圈中的电压比值就是线圈数量的比值。
以经典款摩托罗拉L7的充电器为例，它的充电规格为5V 0.55A，这就需要变压器左边的线圈缠绕圈数是右边的44倍，这样变压器输出的电压就降到5V，再通过滤波稳压转换等步骤转换为与手机适配的直流电。
然而现实中的变压器是不可能完全做到100%转化效率的，例如铜线电阻、铁芯涡流、磁力流失等原因都会导致能量转换不理想，越小的变压器能量损失越严重，这些流失的能量往往会转化成热量散发出来。为了提升转换率，降低涡流与电磁损失，充电器的铁芯一定不能太小，铜线线圈也要绕得更多更密集。大、沉、烫成了这种老款充电器的明显特征。
其实，提升电磁转换效率，除了增加线圈数量、增大铁芯大小外，让电路的振荡频率变高也能做到。频率越高，铁芯的磁通密度越低，铁芯损耗越小，效率越高。不过我们用的市电都是50Hz的，调整电压电流变压器就能做到，但调整频率应该怎么做呢？
开关芯片上线
假设我们手里有一颗恒压直流电池，那我们怎么让电池输出交流电呢？最简单的方法就是快速开关并反转电池的方向。我们每秒钟反转一次电池方向（转一圈转回来），就对应的是1Hz。现在为了提升变压效率，我想要输出10000Hz的交流电，难道要每秒钟用手反转电池一万次吗？
这种看似不可能的事情，MOS管就可以轻松做到。MOS管分为P型与N型，每个MOS管都有栅极、漏极、源极与衬底组成，栅极通过绝缘层与衬底隔开。MOS管内没有机械开关，驱动它仅需要电压不需要电流。
场效应晶体管（MOS管）
MOS管的G（栅极）端与S（源极）端的电压从0升到启动电压的时间越短，那么MOS管的开启速度也会越快，同理，电压降低到0的时间越短，MOS管关闭的越快。问题来了，我就是需要MOS管输出高频电路，去哪里找另一个高频信号来驱动它？
MOSFET驱动芯片可以做到。它基于PWM的方式来驱动MOS管工作。驱动芯片内部具有振荡模块，利用电容的充放电形成锯齿波和比较器来生成占空比可调的方波。这样我们就得到一个频率可调的MOS管驱动电源了。
某开关电源芯片内部电路
输入变压器的频率提高后，相同电磁转化率的充电器变压器内就能少缠绕很多线圈，对应的变压器大小也会减小，这就是智能机时代充电器体积突然变小的真正原因。硅基开关芯片频率可以做到40KHz以上，相比50Hz的市电提升了近千倍。
不过随着手机芯片性能的提升，消费者对于充电速度不再满足于“五伏一安”，更快的充电速度意味着更高的工作效率，这时一家国产手机厂站了出来，用一句脍炙人口的广告词宣誓着快充时代来临。
充电5分钟，通话两小时
2014年，一句著名的广告词响彻大街小巷，“充电5分钟，通话两小时”成为OPPO手机发布时喊得最响亮的广告词。
彼时智能手机刚刚进入快速发展阶段，4G商用为移动市场注入前所未有的活力，国产手机迎来爆发式增长。以当年发售的华为P8为例，它配备了一块2680mAh的电池，充电器为5V1A，官方介绍理论电池充满时间为3小时，据媒体实测电池放空大概要3.5小时可以将手机充满。不过更高算力的芯片、更大的屏幕、更多的APP都在蚕食当年容量有限的电池，手机轻薄化的趋势也让电池容量做不了太大，人们不得不经常守在充电器旁边等待手机充满。
2000多毫安时的电池还要三小时，这怎么够，我做生意分分钟几个亿的！初中我们学过的功率公式P=I×V，提升功率只需要拉高电压或电流就行了。不过锂电池在高压充电时会放出大量热量，如果单纯地提升电压来拉高功率，安全隐患很多，从用户体验角度来说，谁也不想在盛夏抱着暖炉打游戏看视频。
所以OPPO选择了“低压高流”方案。OPPO通过在充电器中集成了本该在手机中的降压芯片，并提升充电头和连接线路的宽度，以适配大电流充电。不过这也导致OPPO的充电头体积过大，在当时的一众mini充电头中格外显眼。
后来厂商们又找到了一个很讨巧的方法绕开了电池的发热难题，那就是将电池一分为二，用并联的方式同时给“两块”电池充电。在电路中串联的两个小灯泡，它们的电流相同且平分电压，采用这种“双电芯”的方法可以在更高电压的情况下，直接将充电功率提升两倍，还能避免高电压直接流入电池引起发热。
除了“低压快充”和“双电芯”方法外，华为还将“电荷泵”技术引入手机。这种手机可以直接将高压电流输入手机中，电荷泵会在手机内部将电压降低，创造出“低压”环境，这样既能减少充电头大小，也能避免手机充电发热的问题。
不过在厂家们进行充电速度军备竞赛的时候，别忘了还在“负重前行”的电源芯片。要知道，MOS管在快速开关的过程中也并不是没有能量损耗的，越高频的电路，电流处于单向流通的时间就越短，能量损耗就更小。此外，越高频的电路，充电头内所需要的电容就越小。总的来说，提高频率就能有效地降低充电头的大小。
那无限地提高频率不就行了？并不全对。当MOS管在关闭过程中，储存在变压器寄生电感中的能量会耗散在缓冲电路中，如果开关频率太高，这部分功率损耗会大幅度增加而导致电源显著变热，这个特性在硅基半导体上较为明显，因此人们逐渐将视野放到了硅之外。
第三代半导体
我们日常见的最多的芯片都是以硅为基础，从硅片上进行光刻、刻蚀等步骤产出芯片。然而在高频电路中，硅基受限于较小的禁带宽度，在MOS管开关过程中损失的能量更大。此外，高频电路的放热也会更多，硅材料在超过60℃后的高频性能会有明显下降。最重要的是，使用高频硅基芯片的充电头太大了！
硅基材料功率器件极限，图源 | 中信建投
为了解决这些问题，近年来的半导体新宠——第三代半导体来了。目前用在充电领域的第三代半导体主要是GaN（氮化镓）与碳化硅（SiC）。相比硅，第三代半导体有着更高的临界温度，在更高温度下工作产生漏电的概率会低很多，此外，它们还有更高的临界击穿电场、更高的热导率、更高的饱和电子速率和电子迁移率等优势，它们也被称为“宽禁带半导体”。不过新材料的作用主要在减小体积方面。
GaN相比SiC，在小电流高频率上优势更大，因此在手机端GaN逐渐占据大多数市场。GaN晶体管的横向结构使其具有极低电荷特性，能够在数纳秒内切换数百伏特，切换频率可达数兆赫，这个性能可缩小功率转换器体积。
硅基功率器件与GaN对比，图源 | 品利基金
有了第三代半导体，充电器中的电源芯片又可以“愉快”地在更高频率下“负重前行”了。
我们回到文章开头，小米官方介绍它们的300W快充时说，300瓦秒充采用第四代GaN集成化方案，基于双串电池设计，电芯输入电流高达30A。不过雷军在发布会上也说，这个功率仅能在“魔改版”的Redmi Note 12 Pro上实现，距离实装还有点距离。而且充电功率也仅是在峰值维持300W，毕竟相同功率的RTX4080都得上三个风扇。
就目前的技术进展来看，由于第三代半导体的普及，手机充电功率再次进入“全速前进”时代。“充电5分钟，通话两小时”的到来，让手机厂商敢于装配更大容量的电池，让更高性能的芯片得以装在手机上。那“充电5分钟，从零到一百”时代的到来，还会怎么改变我们的生活呢？
本文来自微信公众号：与非网eefocus （ID：ee-focus），作者：刘浩然