Emily ＆ MacGyFu: 輕裝上路黑科技? GaN (Baseus倍思 GaN迷你65W快充充電頭) + LG gram + 小米20000mA PD行動電源

2020年10月5日星期一

輕裝上路黑科技? GaN (Baseus倍思 GaN迷你65W快充充電頭) + LG gram + 小米20000mA PD行動電源

最近新聞很夯很喜歡在講第三代半導體材料GaN/SiC會全面取代第一代這種新聞標題，但你有沒有想過現在台積電最夯的5奈米，3奈米Si製成是第幾代呢? 其實他是第一代第二代是誰可能都沒人想得起來，其實GaN目前應用的領域目前不在數位邏輯元件上面，大部分都是在功率元件，像最近紅到不行的電動車，基地台功率放大器這領域，身為一個沒有什麼錢的科技宅也是要來跟風一下。

車子買不起買了也不會拆，各位觀眾第三代半導體GaN充電頭(WTF就一個充電頭)，小米雷軍也是拿這個來說嘴[0] 拆解报告：小米GaN充电器Type-C 65W，我上網買了Baseus倍思，多了一個Type-C與Type-A 標準接頭，體積真的很小，而且這種細長方型的設計，不會像也有充電器會卡住旁邊的插座不能使用的問題。

現在很多輕薄筆電都支援支援Typc-C PD充電口，包含潮度爆表的Apple MacBook/Air，但Apple MacBook Air 對我來說螢幕太小，也不夠輕巧，所以選了LG gram 15.6吋+80Wh的電池機身竟然才1150公克(我多裝了一條記憶體跟一條SSD)，其實LG本身充電器已經很輕了243公克，但輸出功率更高的Baseus倍思GaN充電器加上充電線157公克，硬生生輕了86公克，別小看這86公克，一個包包東加西加還是會很有重量的。

出國出差一個包包裡面一個充電頭，一個小米20000mA支援PD充電，可以充手機也可以充筆電，雖然可能沒辦法充飽一次LG 80Wh的電池，但LG要沒電也不容易，不用在多帶一顆簡約出門。

酒店休息的時候就可以同時充筆電，還有小米行動電源還有Beaseus都支援18W充電，速度很快，另外手機與手錶可以利用行動電源的兩個USB孔來充電，一個搞定。

哥吉拉: 18W大丈夫

Buck Converter 降壓電路

但GaN憑什麼可以弄得這麼小，後來研究一下現在的快充電路都支援高電壓低電流的模式，家用的插座可能是110V or 220V，經過ACDC專換電路變成一個較高的直流電壓例如24V，然後再透過控制器降到適合的電壓20V, 12V 5V等等。

下圖從[1] TI Application Note Basic Calculation of a Buck Converter's Power Stage可以了解整降壓電路的工作原理，核心在SW與L電感身上，透過SW開關的時間控制Vout的輸出電壓，如果還是不理解沒關係，讓我們複習一下[2] 儲能元件電容與電感，電感能像電容一樣先充電等一下再用嗎? Energy Storage Passive Elements Capacitor and Inductor電感這個元件。

電感雖然用三用電表會逼逼叫(DC Short)，但當電壓跨在電感兩端的時候，電流不會突然暴衝，電感L愈大充電電流就越慢，反之放電的過程也一樣，透過控制充電與放電的時間，便可以整體的輸出平均電壓。

想要了解的朋友可以看參考[3] YouTube 電力電子導論_郭政謙_單元5 直流升降壓電路_2. 降壓截波電路分析[4] YouTube Power Electronics - Buck Converter Design Example - Part 1，但這裡簡單整理重點是

D為Duty Cycle Ton/Toff的時間
Vin為輸入電壓
Vo為設定的輸出電壓
∆𝐼 是代表全力輸出時候電流的Ripple，例如負載為2R，Vo為5V，平均輸出電流為5/2=2.5A，但實際流過電感的最大與最小電流差，一般希望越小越好。
fs 為SW的開關頻率

所以當我們全部的參數Vin, Vin, D與∆𝐼 後，然後剩下電感值與fs，從結果來看當頻率fs越高電感L就愈小。當電感小尺寸就會縮小，電感寄生的電阻也會比較小。

另外輸出電榮Cout的大小也是一樣，當頻率fs固定我們希望輸出電壓Ripple ∆Vo要小的時候，Cout就要約大，但是反過來看當我們固定∆Vo的規格，當頻率fs越高Cout就越小，尺寸也會變小。

所以看起來頻率越高電感與電容都不用這麼大，就可以維持一樣的尺寸，但一定有他的問題在，不然為什麼大家不這麼做就好了? 當然這麼簡單就好了[5] 開關頻率的考慮點這篇整理出Pros and Cons，其實什麼都好就是第二點。

效率會下降: 起因於開關損失

開關損失 Switching Loss

[6] Power Electronics - Switching Losses in a MOSFET[7] 降壓轉換器效率之分析這兩篇分析的重點是，可以看到Vgs會停到Vpl (Miller Plateau)後在一段時間在爬升，這讓SW在開關的瞬間暫態響應會讓VDS*IDS不等於零，也就是會有功耗損耗在電晶體上面。雖然暫態時間很短，但如果頻率很快那這段時間的比例就會提高，但GaN靠著優異的體質讓頻率相同的情況下效率更高，換言之在一樣效率下可以縮小整個元件的尺寸大小。