Conheça o nitreto de gálio. Ele não é bonito? Imagem: Solid_State / Wikimedia Commons
No alvorecer da formação do "Habr" admirávamos o smartphone HTC HD2: sua diagonal de 4,3 polegadas parecia incrível, e a bateria de 1200 mAh despertou um respeito sincero. Hoje, é claro, esses números apenas provocam um sorriso: as telas principais dobraram e as baterias triplicaram. Junto com o crescimento no desempenho, o número de câmeras e tamanhos de bateria, a popularidade da tecnologia de carregamento rápido está crescendo, o que não é surpreendente - se um adaptador de 5 W fosse suficiente para uma bateria de 1500-1700 mAh, agora o mercado está cheio de smartphones com baterias de 4500 mAh.
Os padrões Quick Charge e Power Delivery resolveram parcialmente o problema, bem como um grande número de variações proprietárias no tópico de carregamento acelerado de fabricantes de smartphones. Claro, isso exigia controladores de carregamento especiais e algoritmos complexos (ninguém quer curto-circuitar uma bateria de lítio, como foi o caso do Galaxy Note 7). Todos os métodos de reposição acelerada de carga, de uma forma ou de outra, dependiam do aumento da potência do carregador: por meio de um aumento na tensão ou na corrente de operação. Um efeito colateral de tais inovações foi um aumento nas temperaturas operacionais dos elementos do circuito e no tamanho da fonte de alimentação. E então um novo material veio em socorro - o nitreto de gálio (GaN), que já era usado em semicondutores e microeletrônica.
O que é nitreto de gálio e por que ele é necessário?
A maioria dos elementos semicondutores atuais usa silício há décadas, um dos elementos mais comuns na tabela periódica. É relativamente fácil de trabalhar e, na maioria dos casos, suas características são suficientes para garantir as propriedades de funcionamento dos produtos. Infelizmente, também existem áreas de aplicação em que as capacidades deste material se tornaram um "gargalo".
Em suma, a utilidade do nitreto de gálio pode ser descrita pelo seguinte exemplo: em uma fonte de alimentação de comutação, a tensão alvo é obtida ligando e desligando repetidamente os transistores (passando ou desligando a corrente no circuito) com um determinado tempo. Assim, quando um transistor de silício clássico é comutado de um estado condutor para um estado isolante, uma grande quantidade de calor é liberada, o que reduz a eficiência da operação e limita o uso de tais elementos em fontes de alimentação potentes.
Um laser semicondutor azul normalmente usa nitreto de gálio ou uma liga de índio para produzir o comprimento de onda desejado. Foto: Pang Kakit / Wikimedia Commons
A principal vantagem do nitreto de gálio reside em uma característica chave de um semicondutor: o gap. Em um sentido amplo, a "banda proibida" indica a diferença nas energias de um elétron, que distingue um estado de condução de corrente de um estado de valência (isto é, não condutor). Com o aumento das temperaturas, as características do semicondutor mudam, porque as vibrações térmicas dos átomos do material aumentam a energia dos elétrons e os "colocam" em um estado condutor.
Uma característica dos transistores GaN é um gap extremamente amplo - 3,40 eV contra 1,12 eV para análogos de silício. Em circuitos de energia (que são especialmente suscetíveis ao aquecimento durante a operação), esta vantagem permite manter as características de desempenho constantes e não reduzir a eficiência em temperaturas mais altas. Além disso, devido à alta densidade de portadores de carga, os transistores GaN podem suportar correntes muito mais altas. E, em geral, os próprios cristais de nitreto de gálio são mais resistentes a altas temperaturas.
Tudo novo está bem esquecido velho
Os primeiros estudos de suas propriedades começaram na década de 40 do século XX, e já em meados dos anos 90 do século passado começou a ser considerado um dos mais promissores materiais optoeletrônicos. Deve-se notar que foi na optoeletrônica que ele encontrou ampla aplicação em primeiro lugar: o nitreto de gálio é uma das poucas substâncias capazes de gerar radiação no espectro azul. Portanto, é usado, por exemplo, naqueles mesmos lasers para drives Bluray. Eles também querem usá-lo em células solares resistentes aos raios ultravioleta, mas isso pode ser uma história separada.
Estruturas baseadas em GaN provaram ser adequadas não apenas para dispositivos ópticos. As características descritas acima mostraram-se úteis para o desenvolvimento de uma base de componentes para eletrônica de potência e microondas, incluindo transistores. Outra nuance importante que permitiu ao nitreto de gálio reivindicar seriamente a aceitação universal foi o preço e a segurança: o arsenieto de gálio anteriormente ocupado (um composto de gálio e arsênico) é extremamente difícil de produzir; além disso, GaAs pode formar compostos tóxicos e cancerígenos.
Uma micrografia de um transistor GaN de alta velocidade operando a 100 volts. Foto: Fraunhofer IAF
Sim, hoje os semicondutores de silício são mais baratos devido ao fato de que o próprio processo já foi exaustivamente estudado, a produção é ajustada e as matérias-primas são muito mais acessíveis. Porém, mesmo com essas ressalvas, a diferença de custo não atinge valores significativos e tem pouco efeito no preço do produto final. Se falarmos sobre o futuro, então uma transição em larga escala para GaN promete economizar dinheiro ao reduzir o consumo de energia em 10-20% em comparação com a eletrônica com transistores de silício.
Uso pratico
Uma vez que a única maneira de reduzir o aquecimento dos transistores é fazê-los não funcionar com força total (ou seja, pegue a base do elemento com uma grande margem), as fontes de alimentação de comutação baseadas em silício potentes são de tamanho impressionante. A capacidade dos transistores de GaN de operar em altas temperaturas e a compactação de tais modelos podem reduzir significativamente o volume necessário da caixa para colocar e resfriar o enchimento. Por exemplo, o tamanho de um adaptador de energia para um laptop ou smartphone pode ser reduzido pela metade, mantendo o desempenho. O oposto também é verdadeiro: você pode manter o tamanho geral da memória e melhorar seu desempenho.
E realmente mais compacto - com a mesma potência. Foto: Anker
As razões pelas quais isso se torna possível estão na superfície. A alta densidade e o gap largo do nitreto de gálio podem aumentar significativamente a eficiência dos dispositivos finais. Enquanto para transistores de silício até 95% é considerado muito decente, para soluções baseadas em GaN chega a 98-99%. Levando em consideração a potência dos adaptadores de energia modernos, isso reduz significativamente a quantidade de calor gerada, que atua como um limitador para os modos de operação dos semicondutores de silício. E a capacidade acima mencionada dos componentes GaN de operar em temperaturas mais altas permite que você extraia um pouco mais de energia, mantendo-se todas as outras coisas iguais.
Claro, a transição para o nitreto de gálio não significa algum tipo de revolução, especialmente se a considerarmos no contexto de carregadores de gadgets. De modo geral, tal "atualização" apenas os aproxima das capacidades e necessidades dos smartphones modernos, que precisam urgentemente de adaptadores de alta potência. Portanto, não há nada de surpreendente no fato de os fabricantes de equipamentos móveis não passarem por um material promissor.
Imagem: Anker
Quase todos os principais fornecedores estão atualmente envolvidos em suas próprias pesquisas sobre o uso de GaN em carregadores para seus dispositivos, e seu futuro uso em massa está fora de dúvida. No entanto, para apreciar pessoalmente as delícias dos adaptadores de energia de nitreto de gálio, você não precisa esperar muitos anos. Já existem carregadores Anker no mercado que têm aproveitado o GaN há vários anos.
Anker e GaN
A Anker tem se especializado no desenvolvimento e produção de carregadores há muito tempo e era simplesmente impossível para nós ignorar um material tão promissor. A avaliação das perspectivas do nitreto de gálio tornou possível não apenas usá-lo na criação de carregadores poderosos, mas também para criar uma fonte de alimentação verdadeiramente universal adequada para smartphones e laptops com fonte de alimentação Tipo-C. Adicione a isso o suporte para vários protocolos de carregamento rápido de uma vez - e com tal fonte de alimentação, o usuário pode carregar quase qualquer gadget com rapidez e eficiência, independentemente da marca.
O resultado do trabalho de nossos engenheiros foi o surgimento de toda uma linha de adaptadores Anker Atom usando transistores GaN na seção de potência. Tudo começou com um único carregador em 2017 - e agora a família se expandiu para incluir várias soluções ao mesmo tempo. Por exemplo, o Anker Atom PD1, com dimensões comparáveis aos carregadores padrão de 10 W, oferece até 30 W de saída de energia e é compatível com o fornecimento de energia. Ele é otimizado para funcionar com os modelos mais recentes de iPhone e Samsung, permitindo que você carregue esses gadgets em uma velocidade maior. Em comparação com o carregador padrão do mesmo iPhone XS, oferece mais do que o dobro da velocidade de carregamento. Também pode ser usado para carregar laptops MacBook Pro e Air.
Carregador de soquete duplo PowerPort Atom III 60W Image: anker.com
Para usuários de laptops que consomem mais energia, existe um modelo avançado - Anker Atom PD2. É um pouco maior do que o Atom PD1 em miniatura, mas é capaz de fornecer até 60 watts de potência ao carregar um único dispositivo. Ou forneça alguns gadgets ao mesmo tempo com potência de até 30 W - graças aos dois conectores no gabinete e um circuito de alimentação paralelo.
Também digno de nota é o carregador Atom III 60W. Também está disponível em duas versões - com um e dois conectores e suporte para tecnologias de carregamento rápido em três formatos populares: Apple Fast Charging, Samsung Fast Charging e USB-C Power Delivery.