電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李誠(chéng)）小霸王游戲機(jī)應(yīng)該算是很多80、90后揮之不去的童年記憶了，除了不斷擦拭游戲卡帶金手指解決游戲花屏這些騷操作之外，通過(guò)反復(fù)插拔進(jìn)行散熱的電源變壓器也算是個(gè)重量級(jí)的存在。

那時(shí)的小霸王游戲機(jī)變壓器輸出功率不到10W，體積卻和成年人拳頭般大小，而且發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題成為了不少玩家的煩惱。雖然當(dāng)時(shí)我們都把它稱為變壓器，但它的工作原理和現(xiàn)在的手機(jī)電源適配器工作原理一樣，都是將220V的交流電降壓、整流后向用電設(shè)備提供電能。

再看看現(xiàn)在的手機(jī)電源適配器，輸出功率從幾十瓦到上百瓦不等，充電發(fā)熱問(wèn)題，以及產(chǎn)品的體積和重量都得到了明顯的改善。是什么使得電源適配器朝著好的方向發(fā)展呢？

電源類型的改變

其實(shí)，當(dāng)年被我們稱為變壓器的游戲機(jī)電源適配器和現(xiàn)在的手機(jī)電源適配器，在本質(zhì)上并沒(méi)有太大區(qū)別，但它們分別屬于兩種不同類型的電源。游戲機(jī)電源適配器屬于線性電源，而手機(jī)電源適配器屬于開(kāi)關(guān)電源，也正是因?yàn)殡娫搭愋偷牟煌?，?dǎo)致這兩種電源適配器在熱性能、體積、重量方面存在著較大的差距。

線性電源工作原理是將輸入的交流電經(jīng)過(guò)變壓器變壓后，再將交流電整流為直流電濾波輸出的電源。此類電源在工作期間，功率器件輸出特性曲線一直處于穩(wěn)定的線性輸出狀態(tài)，故稱為線性電源。



開(kāi)關(guān)電源是通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通，調(diào)整導(dǎo)通時(shí)間和工作周期的占空比，將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電再提供給變壓器進(jìn)行變壓輸出的電源。以上圖為例，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的占空比，將10V電壓降為5V。

在優(yōu)缺點(diǎn)方面，線性電源輸出穩(wěn)定、紋波小、內(nèi)部構(gòu)造簡(jiǎn)單，而且工作頻率一般只有50Hz左右，這也使得變壓器、濾波電容的體積偏大，導(dǎo)致線性電源比較笨重。同時(shí)，由于線性電源一直處于工作狀態(tài)，轉(zhuǎn)換效率偏低（轉(zhuǎn)換效率一般在50%~60%），損耗電能會(huì)以熱量的形式進(jìn)行釋放，這也是我們小時(shí)候?yàn)槭裁粗煌媪艘粫?huì)小霸王游戲機(jī)電源適配器就嚴(yán)重發(fā)熱的原因。

開(kāi)關(guān)電源如何彌補(bǔ)線性電源的體積、重量、發(fā)熱問(wèn)題

在電源適配器中，體積、重量占比最大的是變壓器，而變壓器的體積又與工作頻率有著密切的聯(lián)系。為實(shí)現(xiàn)電源適配器的輕量化、小型化，通過(guò)提高工作頻率，減小變壓器體積是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

在開(kāi)關(guān)電源的電路中，變壓器變壓前的逆變過(guò)程是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，電源設(shè)計(jì)工程師在對(duì)這部分電路設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)采用高頻的開(kāi)關(guān)管將直流電轉(zhuǎn)化為高頻的交流電，為變壓器的變壓提供電能。要知道，開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率可以達(dá)到幾十甚至幾百kHz，是線性電源50Hz的幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)倍，以至于開(kāi)關(guān)電源變壓器的體積、重量可以變得更小，轉(zhuǎn)換效率更高。



當(dāng)然了，通過(guò)提高工作頻率減小變壓器體積并不是唯一的選擇，從變壓器自身著手才能從根源上解決問(wèn)題。隨著技術(shù)的不斷演進(jìn)，陸續(xù)有不少產(chǎn)商在手機(jī)電源適配器中使用平板變壓器減少縱向空間的占用。例如，手機(jī)廠商O(píng)PPO的50W超閃餅干充電器中就采用了這一設(shè)計(jì)，使得整體體積減小了50%。近日，在由電子發(fā)燒友網(wǎng)舉辦的“第四屆模擬半導(dǎo)體大會(huì)”中，智融科技也公開(kāi)展示了一款采用平板變壓器設(shè)計(jì)的手機(jī)快充解決方案SW1106。

同時(shí)，隨著第三代功率半導(dǎo)體技術(shù)的不斷成熟，電源適配器的發(fā)展也開(kāi)啟了“氮?dú)狻奔铀倌Ｊ?，傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)管正逐漸被頻率更高的氮化鎵開(kāi)關(guān)管所取代。氮化鎵器件基于自身材料電子遷移率高的固有特性，不僅可以實(shí)現(xiàn)電源適配器的小型化，與具有等效導(dǎo)通電阻的硅MOSFET相比，氮化鎵MOSFET每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的損耗更低，電能轉(zhuǎn)換效率也就更高。

據(jù)相關(guān)資料顯示，使用氮化鎵功率器件的電源適配器轉(zhuǎn)換效率大多能夠達(dá)到90%以上，甚至有的解決方案可實(shí)現(xiàn)98%或更高的轉(zhuǎn)換效率。轉(zhuǎn)換效率的提高，也意味著電能在傳輸過(guò)程中損耗的較少，充電發(fā)熱問(wèn)題自然也得到了很好的控制。

寫(xiě)到最后

隨著科技的不斷進(jìn)步，雖然當(dāng)年小霸王游戲機(jī)電源適配器體積大、發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題得到了解決，也彌補(bǔ)了小編不能與雪人兄弟決戰(zhàn)到天亮的遺憾，但當(dāng)年那段每玩一段時(shí)間就要拔下電源適配器散熱的時(shí)光又何嘗不是一段特殊的記憶呢。