章鷹 發表於 2020-12-21 06:55:14
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（電子發燒友網報導 文/章鷹）臨近年末，快充市場異常火爆。市場層面有兩大利好：2020年10月，蘋果宣布iPhone12系列手機以及官網所有在售iPhone機型均不再附送充電器，整個快充市場為之雀躍；小米10、華為Mate40、OPPO和三星最新安卓手機都推出了氮化鎵充電器，從45W、65W到120W快充產品陸續上市。蘋果、三星、華為、小米、OPPO等全球前五大手機廠商採用GaN充電器，驅動整個快充行業呈現增長態勢。
根據市場研究機構Yole估計，功率GaN市場中最大的細分市場仍然是電源應用，即手機的快速充電。2018至2024年間市場規模的複合年增長率將高達92%。其中，GaN快充市場2020-2023年間增速將達到55%。樂觀情況下，氮化鎵功率市場規模將超過7.5億美元。
氮化鎵為何能成為快速充電器的最佳材料選擇？氮化鎵晶片廠商如何助力終端廠商的快充產品上線？國內電源管理晶片廠商在20W、45W等主流快充產品上有哪些經典方案？納微半導體銷售總監李文輝、芯朋微電子應用技術總監王曠和英諾賽科產品應用經理鄒豔波帶來最新的市場趨勢解讀和主流方案分享。
作為第三代半導體的核心材料之一，GaN其主要有三個特性——開關頻率高、禁帶寬度大、更低的導通電阻。它在充電器上的優勢主要體現在：體積小，重量輕；功率密度大，效率高但不容易發熱；手機、筆記本都能充，兼容多個設備。
圖片來自小米官網
小米集團董事長兼CEO雷軍在小米10發布會上曾經介紹，GaN是一種新型半導體材料，做出的充電器體積特別小，充電效率卻特別高，發熱低，同時兼容手機與筆記本電腦。小米Type-C GaN 65W充電器比標配的65W充電器體積要小一半，充滿配備4500mAh電池的小米10 Pro僅需45分鐘。同樣為iPhone 11充電，GaN充電器速度比原裝快一倍。
在大屏手機成為主流、處理器不斷升級的前提下，電池技術已經到達瓶頸，如何更快地充電就成為了解決續航問題的關鍵。在李文輝看來，氮化鎵（GaN）受到關注有兩大原因：屏幕大小不斷攀升，電池容量持續攀升。10年前，手機電池平均容量是1200毫安，到2020年，智慧型手機電池平均容量達到4500毫安，10年內電池容量接近擴大3倍以上；手機屏幕從2寸到今天6.5寸，屏幕放大四倍。未來智慧型手機屏幕越大，整個CPU、射頻和周邊電子器件都使用功率部分，電池越來越大。
GaN（氮化鎵）與傳統矽材料有什麼差別？納微半導體銷售總監李文輝分析說，GaN比傳統的矽具有更高的效率、更小的尺寸和更輕的重量。具體說，GaN運行速度比矽加快20倍，並且能夠實現高出三倍的功率，能量密度至少提升一倍，比較AC/DC這種傳統的電源管理方式效率至少3個點提升。
氮化鎵的出現改變充電器體積隨功率密度增大不斷增大的現狀，它是目前全球最快的功率開關器件，並且可以在高速開關的前提下保持高效率水準。高開關頻率減小了變壓器的體積，從而大幅度縮小了充電器的體積。同時，氮化鎵具有更低的損耗，使用氮化鎵晶片後，減少了其他元件的使用，進一步縮小了充電器體積。
納微半導體成立於2014年，聚焦GaN功率晶片，憑藉其面向消費級市場的高集成度的GaN功率晶片產品在市場上快速建立起知名度。
近日，在2020年USB PD & Type-C亞洲大會上，納微半導體銷售總監李文輝分享了他們最新的進展：2020年6月，全世界最小的50W超閃充電器OPPO餅乾充電器問世，搭載納微晶片；7月，第500萬顆納微晶片成功投入市場；8月，全世界第一款iPhone12專屬氮化鎵超速充電器提前問世，搭載納微功率IC晶片。
李文輝分析說，一開始氮化鎵技術在dMode FET，特性是在沒有電壓的控制下，需要額外的矽FET「級聯」配置，需要設置複雜的電路。納微半導體堅持走eMode FET技術，這種技術在沒有電壓的時候是關斷的，類似於傳統的MOSFET，比較容易控制。納微半導體採用專有的 AllGaN工藝設計套件將最高性能的GaNFast與邏輯和模擬電路單片集成，可為移動、消費和新能源市場提供更小、更高能效和更低成本的電源。據悉，小米發布的氮化鎵快充產品採用了納微半導體的功率晶片產品。
圖片：電子發燒友拍攝
納微半導體（Navitas）擁有強大的功率半導體行業專家團隊，擁有120多項專利，其功率IC是臺積電代工，從2018年1月到2020年7月份，納微半導體的功率IC出貨500萬顆，預計到今年底全球交付超過900萬顆晶片給客戶，實現零故障。李文輝強調說，納微半導體功率IC晶片經過專有可靠性測試，有50年的使用年限。
芯朋微電子應用技術總監王曠指出，對於PD快充來講，最關鍵的一個技術就是智能高壓器件，高壓啟動管可以實現電源的低待機功耗，快速啟動和效率要求。芯朋微自主設計的智能功率MOS耐壓涵蓋40V-1200V，30mw待機，快速啟動，實現輕載高效，雪崩抗衝擊能力強，功率密度高。
對於iPhone 12不配充電器，王曠表示手機廠商的動作對快充業內帶來了新機遇和新挑戰。主要表現為：一是如何把18W 的USB PD升級到20W USB PD；二是充電器如何做小。芯朋微推出了第二代PD快充方案PN8162+PN8307。
除了原來上一代產品具備的高集成度、性能優異和成本優勢外，在高功率密度方面，因為主控晶片升級到PN8162後，採用PDFN5*6專用封裝，降低晶片熱阻，相同工況下比傳統SOP8溫升降低19度以上。在自適應控制技術上，PN8162採用QR控制技術，降低晶片開關功耗，自適應QR開關技術，簡化EMC設計，解決小體積充電器EMC問題，並減小輸出電容容量。
針對充電器體積越小，EMC挑戰越大的難點，PN8162解決對策：自適應QR控制分散開關頻率頻譜分布；實驗結果表明20W PD快充在9V2A和9V2.22A負載下，溫升相差10度左右，如何解決小型化帶來的溫升挑戰？PN8162解決對策：採用PDFN封裝，封裝熱阻降低至於15度每瓦，9V2.22A工況下，晶片溫升降低10度左右。
芯朋微2005年成立，深耕電源管理晶片15年，業績表現持續向好。2020年出貨晶片8億顆，7月份芯朋微在科創板上市，作為國內模擬IC晶片設計公司，芯朋微得到國家大基金二期的投資，已經成為模擬晶片領域國產替代的重要廠商。
英諾賽科產品應用經理鄒豔波對記者表示，2020年，氮化鎵快充市場快速增長，整個行業的晶片出貨量已經超過1500萬顆，比2019年實現了10倍的增長。預計2021年，氮化鎵晶片持續高增長，將會實現1億顆的出貨量預期。2020年，英諾賽科的氮化鎵晶片實現了400萬顆出貨量。2021年目標是實現10倍數量增長。
2018年到2020年，整個快充市場經歷三年的培育期，市場認可氮化鎵晶片高頻、高效和可靠性。未來氮化鎵晶片要實現高速發展，產能保證是一個重要前提。鄒豔波認為，中國晶片企業只有採用IDM模式，實現晶片設計和製造一體化，實現全產業鏈控制，才能解決真正的產能問題。
2018年，英諾賽科珠海8寸晶圓廠的產能達到月產4000片。從2018年起，英諾賽科規劃布局更大規模的晶圓廠，2020年9月19日，英諾賽科蘇州第三代半導體基地舉行設備搬入儀式，預計明年年中滿產後將實現月產8英寸矽基氮化鎵晶圓65000片，產品線覆蓋30V-650V的全系列氮化鎵晶片，產品將為5G移動通信、數據中心、新能源汽車、無人駕駛、手機快充等戰略新興產業的自主創新發展提供核心電子元器件。
INN650D02 「InnoGaN」開關管基於業界領先的8英寸生產加工工藝，是目前市面上最先量產的先進位程氮化鎵功率器件，這項技術的大規模商用將推動氮化鎵快充的快速普及。得益於全球首條8英寸增強型矽基氮化鎵功率器件量產線以及先進的研發品控分析能力，英諾賽科InnoGaN系列的整體性能和成本均得到很好的把控，市場競爭優勢明顯。
隨著人工智慧和5G通信的發展，對5G手機、筆記本電腦和其他智能終端的快速充電都提出了高要求。隨著用戶對充電器通用性、便攜性的要求，氮化鎵快充市場規模快速增長。國際廠商在功率IC領域具有先發優勢，國內廠商英諾賽科也在積極布局晶片設計和產能。
GaN功率器件市場目前還不大，相對於成熟的Si而言，GaN產業鏈目前並不成熟，價格偏高，可靠性、成本等各方面都不具壓倒性優勢。2021年，中國GaN快充市場出現哪些新穎產品，GaN功率晶片和產業鏈實現哪些突破，我們將拭目以待。
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