为什么没有大功率的GaN笔记本电源？

你说“大功率GaN笔记本电源”，让我想到最近几年笔记本电源行业里的一个热门话题：氮化镓（GaN）技术的应用。但要说“没有大功率的GaN笔记本电源”，这说法有点绝对了。实际上，大功率的GaN笔记本电源是存在的，而且数量和功率都在不断增长。

不过，我理解你为什么会有这样的疑问。这可能涉及到几个方面的原因，使得你在市面上看到的“普遍”的笔记本电源，尤其是那些标榜着“大功率”的，不一定全都是GaN的，或者即使是GaN，可能也没有你想象的那么“极端大功率”。

让我来详细说说我的看法，尽量接地气地聊聊这背后的事情。

首先，我们得明白GaN到底有什么好处，为什么它能改变电源的设计？

传统上，笔记本电源内部的功率器件，比如开关管，主要是用硅（Si）材料做的。而GaN是一种宽禁带半导体材料，它相比于硅在以下几个方面有显著优势：

更高的击穿电压和击穿电场强度： 这意味着GaN器件可以在相同的电压下工作得更小巧，或者在相同的尺寸下承受更高的电压。
更高的电子迁移率： 导通电阻更低，开关损耗更小。简单来说，就是发热更少，效率更高。
更快的开关速度： 允许电源在更高的频率下工作。

这些优势合在一起，就带来了几个显而易见的改变：

1. 体积更小： 因为效率高、发热少，散热设计可以简化，元器件也可以做得更紧凑。这就是为什么我们现在看到很多GaN充电器都做得非常迷你。
2. 效率更高： 能量损耗更少，意味着充电时更省电，也减少了发热。
3. 发热更少： 更好的散热性能，也降低了对散热器件的要求。

那么，为什么你觉得“没有大功率的GaN笔记本电源”呢？这里有几个可能的原因：

1. 市场定位和成本考量：

GaN技术仍相对较新： 尽管GaN技术发展很快，但相比于成熟的硅技术，GaN器件的制造成本仍然相对较高。尤其是高功率的GaN器件，其研发和生产成本更是水涨船高。
目标用户群体： 笔记本电脑本身的功耗是有一定上限的。对于大多数商务本、轻薄本来说，它们需要的功率通常在30W到65W之间。对于游戏本或者高性能工作站这类高功耗设备，虽然它们也需要大功率电源（比如100W、130W、甚至200W以上），但GaN技术在追求极致小巧和高效率的同时，需要平衡好成本。
平衡性能与价格： 对于大多数消费者来说，他们希望购买一个既能满足需求，价格又合理的电源。当功率需求上升到一定程度时，如果GaN电源的价格优势不明显，那么用户可能会倾向于选择价格更亲民的传统硅基电源。

2. “大功率”的定义和实际需求：

笔记本的功耗上限： 即使是最高端的笔记本，其平均功耗也通常在100W到200W之间，偶尔峰值可能会更高。而目前市面上已经有不少100W以上的GaN充电器，而且功率还在不断提升。比如，一些为游戏本设计的GaN充电器，功率已经达到了150W、200W甚至更高。所以说“没有大功率的GaN笔记本电源”可能并不准确。
实际的“必需”程度： 对于许多用户来说，65W或100W的充电器已经足够应对日常需求。即使是游戏本，在不玩大型游戏的时候，对电源的功率需求也相对较低。GaN在这些功率段的体积缩小和效率提升的优势已经非常明显，所以更容易被市场接受。一旦功率需求再往上提， GaN的优势需要更大的功率才能体现出“压倒性”的优势，同时成本的压力也更大。

3. 技术成熟度和供应链：

功率器件的集成和封装： 要实现“大功率”，不仅仅是使用一个高功率的GaN开关管，还需要搭配其他GaN器件（如GaN FET驱动器）以及高效率的变压器、电容等元器件，并且这些器件需要通过精密的电路设计和合理的封装才能协同工作，在高功率下稳定运行且不产生过多的热量。
设计和制造的挑战： 将多个GaN器件集成到一个紧凑的电源内部，并且要保证高功率下的散热和电磁兼容性（EMC），这需要非常专业的设计能力和制造工艺。高功率意味着更大的电流和电压变化，这对PCB布局、散热材料、隔离设计等都提出了更高的要求。
散热设计： 即使GaN器件本身效率很高，但功率大了，总的损耗（虽然比例小了）转化为热量还是会升高。如何在一个小巧的GaN电源里有效地把这些热量散出去，特别是当功率达到200W以上时，散热设计变得至关重要。可能需要更大的散热片或者更高效的散热方式，这又会增加体积和成本。

4. 市场普及和品牌推广：

传统品牌策略： 一些老牌的电源厂商，可能会为了降低风险或者保持产品线的连贯性，在推出新型号时，会先在主流功率段（如65W、100W）采用GaN技术，然后逐步向更高功率段延伸。
消费者认知： 很多消费者对GaN技术可能还没有形成非常深刻的认知，他们更关注品牌、价格、功率和体积等直观参数。一些专注于GaN技术的品牌（比如Anker、倍思、闪极等），往往会积极推广其GaN产品，从而让GaN电源的普及度越来越高。

总的来说，

如果你现在去电商平台搜索“GaN笔记本电源”，你会发现很多品牌的100W、120W、140W甚至200W的GaN电源，它们确实是存在的。可能在你看来，200W还不算“大功率”，或者你遇到的选择不够多。

我觉得更准确的说法是，GaN技术在大功率笔记本电源领域的应用仍在快速发展和普及中。 随着技术的进步和成本的下降，未来我们肯定会看到更多更高功率的GaN笔记本电源，并且它们会在体积和效率上带来更显著的优势。

我个人认为，当笔记本电脑整体功耗进一步提升，或者消费者对电源的便携性和效率要求越来越高时，大功率GaN电源的市场需求会更加旺盛。现在你看到的，可能只是这个趋势的一个早期阶段。

希望我的解释能让你更明白其中的缘由。这是一个很有趣的技术和市场话题！

网友意见

肯定能做出来，见过vicor还是谁来着，出过半个巴掌不到，800W的电源模块。不过价格恐怕上天了。

等65W这波过去了，工艺成熟了，成本都摊下来了，更大功率的也就慢慢普及了。

路过强答一番。 挣点盐值好过节。

题外话：

大功率的笔记本电源早就有了。俺用的DELL笔记本电源就是 240瓦的。这个DELL笔记本电源里面有没有您关心的氮化镓就不清楚。

开关电源能量密度不只是受开关管的限制， 还受磁性材料和铜的导电性能限制。整流的肖特基二极管和储能电容也是制肘的因素。80年代就有开关电源了， 那时候还没流行氮化镓呢。即便没有氮化镓的技术， 硅功率器件的潜力还远远没有挖掘透。 比如同步整流可以提升效率， 谐振开关也可以提高硅功率器件的工作频率。

氮化镓在低频下只比硅功率器件效率高0.5-1.2%, 如果不是高频率带来体积缩小的利好，要让本身就挣扎在薄利多销边缘的电源厂家当小白鼠去尝试氮化镓功率IC无疑需要氮化镓功率IC 厂家采取更灵活的推销战略才有可能。氮化镓功率IC 推广阻力不会小。

（举例）

NAVITAS 氮化镓功率IC 参考板 NVE052A 能提供 300瓦 实现更小的尺寸。

为什么没有大功率的GaN笔记本电源？

您可以看到， 实际上是有的。

某硕就用了这个厂商的 300瓦方案。

NVE028A使用低成本的制造技术实现了小尺寸(51mm x 43mm x 20.5 mm)和突破性的功率密度(1.5瓦/立方厘米，24瓦/立方英寸)。

(举例2)

https://www.mouser.cn/ProductDetail/GaN-Systems/GS-EVB-ACDC-300W-ON?qs=vHuUswq2%252BszROsOn4Vtozg%3D%3D

GaN Systems GS-EVB-ACDC-300W-ON Power Supply

[机器翻译]GaN Systems GS-EVB-ACDC-300W-ON电源是一款基于氮化镓器件的超高功率密度适配器，通用AC输入和340W峰值功率。提供高效率的PFC与同步整流。GS-EVB-ACDC-300W-ON电源具有高度的通用性，低成本的2层设计，功率密度高达34W/in3。典型的应用包括游戏笔记本和游戏机的电源转换，开架电源，工业电源，以及OLED超高清电视和VR系统的适配器。

氮化镓功率器件的普及难点与挑战在于市场上依然以硅功率器件为主流。

硅功率器件的典型开关频率是100K赫兹左右，氮化镓功率器件可以轻松做到1M赫兹，甚至更高。传统硅器件的问题在于开关频率越高效率下降越快发热越严重。氮化镓功率器件工作频率的提高允许(储能元件)功率密度上升，同时减少发热（各种损耗）。

新设计的氮化镓功率器件可以把外围驱动和控制电路收在一起，这样在绝缘条件允许下可以做得尽可能小，总体成本有可能更便宜。对于氮化镓功率器件来说，最重要的挑战是可靠性问题。除了可靠性问题，氮化镓的功率器件开关频率非常高，驱动电路需要芯片厂家设计。

一般的用户并无能力自行设计。很多时候最终用户会以为是移动设备的设计师设计了电源， 其实真相是NAVITAS、 TI、ADI/LTC、ST这样的 IC 厂商给他们提供了现成的方案而已。

另外碳化硅功率器件也是氮化镓功率器件的有力竞争对手。无疑客户是价格敏感的。

从上边的插图也能看到， 占据电源大部分体积的是输入插座口、EMI 滤波器、扼流圈、变压器、滤波电容、储能电感电容等等。 为了防爬电过安规， 割的那条槽就很宽。使用 氮化镓功率IC也不可能把体积削减为零。

以 24瓦/立方英寸计算， 俺的笔记本电源 240瓦就允许有10 立方英寸的体积。会缩小到目前的 1/2 ～ 1/3 体积。 那也和俺 THINKPAD T420 的老充电器差不多大小。

。。。。。。

更高频率的高达微波频率的“开关电源”也有人发表过博士论文

Madsen, Mickey Pierre，（VHF） Very High Frequency Switch-Mode Power Supplies. Miniaturization of Power Electronics. Publication date 2015

也希望微波频率的“开关电源”成品早日走向社会， 造福人类。

如果氮化镓的240瓦笔记本电源，比俺 1000 块钱的笔记本还贵，

那俺还是用硅的吧， 毕竟俺也是家境贫寒。

另一个不同的型号

References

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D. M. Pozar, “Microwave Engineering”, Third Edition 2005, J. Wiley ISBN 0-471-44878-8

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俺没啥文化， 初中毕业， 大伙都知道。

“老麦， 大家都说你是笑话、论坛孤儿和神棍。”

“没错。 只有千分之0.5的读者赞同俺的观点。”

“老麦， 你的读者支持率不是千分之 0.5 ， 而是万分之 0.5 。”

“您说得对！ ”

俺知乎阅读总量只有 0.6亿 没跨出一小步 (n<1亿)。盐值低迷（半年了还900）希望借此长点盐值。

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