從小霸王游戲機變壓器到手機快充，這些年發(fā)生了哪些變化？

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李誠）小霸王游戲機應(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，通過反復(fù)插拔進行散熱的電源變壓器也算是個重量級的存在。

那時的小霸王游戲機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)重的問題成為了不少玩家的煩惱。雖然當(dāng)時我們都把它稱為變壓器，但它的工作原理和現(xiàn)在的手機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，當(dāng)年被我們稱為變壓器的游戲機電源適配器和現(xiàn)在的手機電源適配器，在本質(zhì)上并沒有太大區(qū)別，但它們分別屬于兩種不同類型的電源。游戲機電源適配器屬于線性電源，而手機電源適配器屬于開關(guān)電源，也正是因為電源類型的不同，導(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。



開關(guān)電源是通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通，調(diào)整導(dǎo)通時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行變壓輸出的電源。以上圖為例，通過控制開關(guān)管的占空比，將10V電壓降為5V。

在優(yōu)缺點方面，線性電源輸出穩(wěn)定、紋波小、內(nèi)部構(gòu)造簡單，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，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%），損耗電能會以熱量的形式進行釋放，這也是我們小時候為什么只玩了一會小霸王游戲機電源適配器就嚴(yán)重發(fā)熱的原因。

開關(guān)電源如何彌補線性電源的體積、重量、發(fā)熱問題

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。為實現(xiàn)電源適配器的輕量化、小型化，通過提高工作頻率，減小變壓器體積是一個不錯的選擇。

在開關(guān)電源的電路中，變壓器變壓前的逆變過程是一個很重要的環(huán)節(jié)，電源設(shè)計工程師在對這部分電路設(shè)計時，通常會采用高頻的開關(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，開關(guān)管的開關(guān)頻率可以達到幾十甚至幾百kHz，是線性電源50Hz的幾萬甚至幾十萬倍，以至于開關(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題。隨著技術(shù)的不斷演進，陸續(xù)有不少產(chǎn)商在手機電源適配器中使用平板變壓器減少縱向空間的占用。例如，手機廠商OPPO的50W超閃餅干充電器中就采用了這一設(shè)計，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”中，智融科技也公開展示了一款采用平板變壓器設(shè)計的手機快充解決方案SW1106。

同時，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)展也開啟了“氮氣”加速模式，傳統(tǒng)開關(guān)管正逐漸被頻率更高的氮化鎵開關(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每個開關(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)換效率大多能夠達到90%以上，甚至有的解決方案可實現(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程中損耗的較少，充電發(fā)熱問題自然也得到了很好的控制。

寫到最后

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