4月初,華為按照既有的上新節(jié)奏發(fā)布了最新的P40旗艦手機(jī)。不過發(fā)布會上,一個配角卻很搶鏡,這就是華為同步推出的基于GaN(氮化鎵)技術(shù)的超級快充充電器,它支持65W最大功率,有Type-C和Type-A雙接口,5月下旬開售。 這些年在消費電子市場,華為一直扮演著領(lǐng)跑者的角色,但是這次在GaN充電頭上卻落后了,因為早在2月,小米就伴隨新機(jī)發(fā)售率先推出了僅售149元的65W GaN充電頭,賺足了眼球。而再回溯到2019年10月,OPPO Reno Ace發(fā)布時,其標(biāo)配就是一款65W超級閃充GaN充電頭,由此OPPO也宣稱自己是全球首家在手機(jī)充電器中導(dǎo)入GaN技術(shù)的手機(jī)廠商。
實際上,充電器配件廠商試水GaN的行動要更早些,早在2018年10月Anker就發(fā)布了全球首款USB PD GaN充電器,到今年的CES2020上,有數(shù)據(jù)顯示已經(jīng)有30家充電頭廠商推出了66款GaN快充產(chǎn)品。不過,如今手機(jī)頭部OEM的積極跟進(jìn)——據(jù)說蘋果今年也會推出GaN快充產(chǎn)品——向人們傳遞出一個強(qiáng)烈的信號:GaN充電頭真的要火了! 根據(jù)中信證券的市場分析,預(yù)計2020年全球GaN充電器市場規(guī)模為23億元,2025年將快速上升至638億元,5年復(fù)合增長率高達(dá)94%。
熱點的誕生
GaN作為第三代半導(dǎo)體材料,與傳統(tǒng)主流的硅材料相比,禁帶寬度大、導(dǎo)熱率高,使得GaN器件能夠承載更高的能量密度,承受更高的溫度;由于電子飽和速度快,具有較高的載流子遷移率,GaN器件開關(guān)速度更快;而且GaN器件導(dǎo)通電阻小,能效更高。這些優(yōu)異的特性,讓人們對其給予了厚望。 基于GaN上述的性能優(yōu)勢,射頻和電源一直被認(rèn)為是GaN大規(guī)模商用的兩個主攻方向。這兩年5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)無疑是GaN在射頻領(lǐng)域中一個重大機(jī)遇,根據(jù)Yole的預(yù)測,未來5~10年內(nèi)GaN將逐步取代LDMOS,成為3W及以上射頻功率應(yīng)用的主流技術(shù)。不過從2019年開始,GaN器件的市場成長動力明顯發(fā)生了改變,電源市場營收的占比正在急劇增長。Yole預(yù)測,2019年GaN電源目標(biāo)市場約為9000萬美元,2021年將達(dá)到1.6億美元,而在2022年將增長到2.4億美元,其中GaN充電器將是一個貢獻(xiàn)最大的“爆品”。
圖1:GaN器件的主要應(yīng)用市場增長及規(guī)模(資料來源:Yole)
從技術(shù)角度分析,采用GaN技術(shù)的充電器外形尺寸可比傳統(tǒng)的基于硅的充電器減少30-50%;同時,整體系統(tǒng)效率可高達(dá)95%,這意味著在相同尺寸和相同輸出功率的情況下,充電器外殼溫度將比傳統(tǒng)充電器更低;此外,GaN充電器可以使用較小的變壓器和較小的機(jī)械散熱器(或其他散熱輔助裝置),因此整體重量可減少15-30%。這樣的性能提升幅度,是傳統(tǒng)硅技術(shù)望塵莫及的。而且在“電池焦慮癥”廣為流行的今天,GaN技術(shù)正好可以與USB PD等快充技術(shù)相輔相成,讓用戶體驗上一個新臺階。因此,GaN充電頭成為一個普遍“叫好”的市場新熱點,也就順理成章了。
技術(shù)的推力
當(dāng)然,之所以GaN能夠在這兩年逐漸滲透進(jìn)充電頭這個“紅?!笔袌?,肯定也不是“霸王硬上弓”,其后面還有一個重要的技術(shù)推手。 之前GaN技術(shù)商用進(jìn)程中,一直有幾個困擾開發(fā)者和用戶的瓶頸,如成本、可靠性、產(chǎn)業(yè)鏈成熟度,以及應(yīng)用開發(fā)經(jīng)驗等。因此可以看到,GaN器件過去一直是在圍著一些專業(yè)市場轉(zhuǎn)悠,而沒有找到更大量級的消費級市場的突破口。在過去兩年中,隨著采用GaN技術(shù)的新器件的推出,這種局面逐漸被打破了。 比如2019年8月,Power Integrations(以下簡稱PI公司)發(fā)布了采用其獨有PowiGaN氮化鎵開關(guān)技術(shù)的InnoSwitch3系列恒壓/恒流離線反激式開關(guān)電源IC。InnoSwitch3是PI引以為傲的針對高能效充電器市場的電源IC,由于在一個小型化的表面貼裝封裝內(nèi)集成了初級功率開關(guān)、初級和次級控制電路,以及其間相鏈接的安全隔離型高速鏈路(FluxLink),同時集成了次級SR驅(qū)動器和反饋電路,InnoSwitch3憑借高集成、高效率、高可靠的優(yōu)勢受到市場的青睞。
圖2:集成了PowiGaN氮化鎵開關(guān)的InnoSwitch3系列電源IC(資料來源:PI)
在新發(fā)布的InnoSwitch3器件中,PI用GaN開關(guān)晶體管替換了IC初級的常規(guī)高壓硅晶體管,這可以降低電流流動期間的傳導(dǎo)損耗,并極大降低工作時的開關(guān)損耗,這讓大幅降低電源系統(tǒng)能耗、進(jìn)一步提高效率、在更小的體積內(nèi)輸出更大的功率成為可能。根據(jù)PI提供的數(shù)據(jù),基于PowiGaN的InnoSwitch3滿載效率在230 VAC下為95%,在115 VAC下為94%,這讓電源工程師完全可以在適配器設(shè)計中可省去散熱片——在密閉的適配器應(yīng)用中,無需使用散熱片即可實現(xiàn)高達(dá)95%的效率及100 W的輸出功率。
圖3:基于PowiGaN的InnoSwitch3的高效率表現(xiàn)(資料來源:PI)
而且,以往GaN應(yīng)用一個難點在于其超高的開關(guān)速度,非常難于驅(qū)動和保護(hù),而PI將GaN開關(guān)與電源IC集成在一個封裝內(nèi),簡化了客戶的設(shè)計,方便其能夠快速設(shè)計出電源產(chǎn)品。這對于充電頭這種快速迭代的消費電子市場是非常必要的。 也正是由于上述這種“高性能+易使用”的特點,PI這個基于GaN的InnoSwitch3產(chǎn)品一經(jīng)推出就收獲了不俗的商業(yè)成績——發(fā)布僅兩個月后出貨量就超過了100萬。有極客在拆解了OPPO Reno Ace原裝65W氮化鎵快充充電器后發(fā)現(xiàn),其采用的就是PI的GaN芯片方案。
圖4:OPPO Reno Ace原裝65W氮化鎵快充充電器采用了PI的GaN芯片方案(圖源:網(wǎng)絡(luò))
當(dāng)然,這一切只是一個開始。GaN充電頭的先行者們,在收獲了豐厚的流量和曝光度之后,同樣會承受市場不確定性的風(fēng)險以及用戶培育的成本。有行業(yè)分析師認(rèn)為,2020年和2021年將是GaN充電頭市場起跑之年,也將是決定其市場接受度和發(fā)展后勢的關(guān)鍵之年。好在,電子圈的玩家們大多已經(jīng)深諳此道,既然選擇了此時進(jìn)擊,一定會全力一搏。結(jié)果如何,讓我們拭目以待吧。
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原文標(biāo)題:GaN充電頭真的要火了!
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