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在快節(jié)奏的社會(huì)當(dāng)中，“快”自然也成為了消費(fèi)者選擇產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。面對(duì)“出門手機(jī)就沒電”的“定律”，越來越快的充電效率也成為了消費(fèi)者的追求。

從5W到240W，如今，“充電五分鐘，通話兩小時(shí)”已不再望塵莫及。根據(jù)“觀研天下”數(shù)據(jù)，2022 年全球快充充電器市場規(guī)模達(dá)到 27.43 億美元，占有線充電器市場的 24.00%?？斐?，正在以極快的速度占據(jù)有線充電市場。

本期《市場解讀》，我們邀請(qǐng)了海光電子技術(shù)部總監(jiān)吳新勝、經(jīng)緯達(dá)副總經(jīng)理汪洪偉、德瓏磁電銷售負(fù)責(zé)人張相陽一起探討快充充電器未來的發(fā)展趨勢，以及第三代半導(dǎo)體對(duì)電感變壓器帶來的影響。

GaN成快充充電器“寵兒”

在充電容量提升和充電速率加快中選擇，脫穎而出的為什么是快充?

因?yàn)槭芟抻陔姵乇旧砦锢硖匦约半娮釉O(shè)備機(jī)身大小等因素的限制，電池容量短期內(nèi)難以迅速提升，提高充電效率便成為解決續(xù)航性能的不二途徑。

而在各式各樣的快充充電器之中，“GaN”這三個(gè)字近日越來越遭遇到消費(fèi)者的青睞。GaN快充充電器是一種基于GaN功率器件的新型快充充電器，GaN功率器件可以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和轉(zhuǎn)換效率，從而縮小充電器的體積和重量，并提高充電速度和安全性。

記者了解到，自2018年ANKER發(fā)布了全球首款USB PD GaN充電器PowerPort Atom PD1以來，GaN目前已經(jīng)在高端充電器上全面鋪開。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，GaN快充充電器滲透率從2021年的20%上升到今年的40%左右。從市場規(guī)模上看，2022年中國GaN充電器市場規(guī)模達(dá)到21.3億元，同比增長215%。

即便按照目前市場上的“內(nèi)卷”程度，GaN快充充電器仍有很大的發(fā)展空間。

據(jù)《磁性元件與電源》記者不完全統(tǒng)計(jì)，截至目前，已有超百家電源廠商推出了GaN快充充電器產(chǎn)品，輸出功率范圍覆蓋30W到上百W。

記者從多方了解到，65W為目前市場上最為普及的GaN快充充電器功率，甚至已成為中高檔手機(jī)充電的入門級(jí)標(biāo)配。

從近兩年各電源廠商發(fā)布的新品來看，GaN快充充電器的主流功率已上升至80W-120W，最高功率可達(dá)240W。例如，今年二月份realme發(fā)布的機(jī)型，其原裝充電器號(hào)稱手機(jī)閃充進(jìn)入讀秒時(shí)代，該手機(jī)能實(shí)現(xiàn)240W的滿級(jí)秒充，做到“充電 30 秒，通話兩小時(shí)”。要知道，2021年，USB-IF協(xié)會(huì)公布了全新的USB-C標(biāo)準(zhǔn)，才將最大充電功率從100W增加到了240W，這已經(jīng)是目前為快充充電器產(chǎn)品輸出功率設(shè)置的最高上限。

快充充電器 圖源：Realme官網(wǎng)

電感變壓器難題何在?

俗語云“牽一發(fā)而動(dòng)全身”，GaN的出現(xiàn)，也影響著電感變壓器等充電器中元器件的應(yīng)用。通常來講，充電器輸出功率的增加，充電器的體積也要相應(yīng)擴(kuò)大。然而，目前我們看到的是，快充充電器比我們?cè)O(shè)想的要小、要薄。

這是因?yàn)榕c普通半導(dǎo)體的硅材料相比，GaN的帶隙更寬且導(dǎo)熱好，能夠匹配體積更小的變壓器和大功率電感。尤其是變壓器，它的形狀很大程度上決定了充電器外觀的設(shè)計(jì)。

海光電子技術(shù)部總監(jiān)吳新勝向記者介紹道，快充充電器就是一個(gè)小型開關(guān)電源(充電器)，一般是LLC和反激拓?fù)?，磁元件包括主變壓器、共模電感、差模電感?個(gè)，還有功率電感。

由于需要契合快充充電器輕薄的特點(diǎn)，高功率密度、易散熱的平板變壓器也被廣泛應(yīng)用于快充充電器當(dāng)中。此外，由于平板變壓器是由PCB板制造，因此它也可以起到電路板的作用，焊接元件，增大PCB可用面積。

不過，隨著功率的不斷提升，電感變壓器不僅僅停留在種類的選擇上。“內(nèi)置GaN芯片的使用，快充充電器擁有小體積、高性能、協(xié)議多、節(jié)能高達(dá)40%等的特點(diǎn)，對(duì)電感變壓器的集成要求越來越高，甚至為了集成把電子元器件也集成到變壓器上來改變成品的體積和生產(chǎn)的自動(dòng)化效率。所以今后快充充電器對(duì)扁平變壓器的集成使用會(huì)越來越廣，對(duì)電感變壓器廠家的自動(dòng)化要求會(huì)越來越高，將來變壓器將通過不同路徑與電子元器件集成，也會(huì)給電感變壓器廠家?guī)硇碌奶魬?zhàn)。”吳新勝表示。

目前，海光電子已經(jīng)大批量供貨給華為44W/66W快充充電器用變壓器，并在產(chǎn)品自動(dòng)化上加大研發(fā)投入，已經(jīng)擁有兩條全自動(dòng)生產(chǎn)的產(chǎn)線。

此外，由GaN帶來的高頻難題也是對(duì)快充充電器中電感變壓器的考驗(yàn)。

作為行業(yè)內(nèi)已經(jīng)大范圍為快充充電器廠商提供變壓器產(chǎn)品的企業(yè)，經(jīng)緯達(dá)所生產(chǎn)的平板變壓器已廣泛用于快充充電器，功率范圍涵蓋65W到150W。客戶包括oppo、vivo、榮耀、華為四家等手機(jī)廠商和奧海、賽爾康等電源廠商，年產(chǎn)值在2億左右。對(duì)于GaN應(yīng)用到快充后續(xù)帶來的變化，經(jīng)緯達(dá)副總經(jīng)理汪洪偉表示：“電感變壓器沒有太明顯的本質(zhì)上的區(qū)別，但高頻化之后，電感變壓器對(duì)應(yīng)的也要去解決器件的渦流損耗，也就是我們通常說的鐵損。”

吳新勝也表示，目前GaN快充充電器的工作頻率300KHz，隨著快充充電器開關(guān)頻率的提高和尺寸變小，對(duì)變壓器磁芯的選型非常重要。

此前，vivo電源專家李達(dá)寰在Big-Bit舉辦的電子峰會(huì)中就談到，“磁性材料是高頻方案解決的瓶頸”。根據(jù)記者的了解，目前有電感變壓器企業(yè)也正在往高頻方向研發(fā)，希望能夠提供更好的解決方案?？梢灶A(yù)見的是，隨著GaN等第三代半導(dǎo)體的應(yīng)用，高頻將成為電感變壓器廠商未來普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。

除卻技術(shù)問題之外，成本是GaN快充充電器推廣的另一大難題。吳新勝指出，GaN方案的缺點(diǎn)就是成本高，即整體的成本比常規(guī)硅功率器件方案要高。

不過，單從磁元件的成本來看，德瓏銷售負(fù)責(zé)人張相陽則表示，由于快充中扁線類、平板變壓器的應(yīng)用較多，一旦實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和規(guī)模化，成本就會(huì)下降，估計(jì)10%左右。

而隨著GaN快充充電器的普及，價(jià)格站一旦打響之后，若GaN快充充電器整體成本保持不變，如何爭取更大的利潤空間也值得電感變壓器廠商去思考。

統(tǒng)一是大勢所趨?

值得一提的是，無論是GaN的應(yīng)用還是iPhone的充電接口改為Type-C接口，環(huán)保都將是其未來發(fā)展趨勢的考量因素，而這就要考慮到兼容性的問題上。

目前，市場的快充協(xié)議眾多，各個(gè)手機(jī)品牌快充之間互不相容，協(xié)議互不開放。具體來看，行業(yè)按照通用性將快充協(xié)議分為“共有快充協(xié)議”和“私有快充協(xié)議”，各種協(xié)議所采用的快充技術(shù)手段也不盡相同。公有協(xié)議包括USB-IF協(xié)會(huì)的USB-PD(Power Delivery)、高通的QC協(xié)議(Qualcomm Quick Charge)、聯(lián)發(fā)科的PE協(xié)議(Pump Express)。近年來。各手機(jī)廠商均推出了自家的私有協(xié)議。其中便有OPPO的VOOC閃充、華為的FCP(Fast Charger Protocol)和SCP(Super Charge Protocol)等。

盡管看似每種協(xié)議都能實(shí)現(xiàn)快充功能，且一種充電器也能兼容不同的協(xié)議，但要實(shí)現(xiàn)更快的充電速度，同一品牌的手機(jī)和充電器顯然更容易實(shí)現(xiàn)，如上文提到的realme的240W快充充電器，就僅支持65W通用PD快充。

近幾年關(guān)于充電協(xié)議的統(tǒng)一，雖然外界猜測不斷，但所謂的最終協(xié)議統(tǒng)一仍然艱難。在2021年12月，由信通院、華為、vivo、小米、OPPO牽頭，聯(lián)合多家終端、芯片企業(yè)和產(chǎn)業(yè)界伙伴共同完成融合快充協(xié)議——UFCS。該協(xié)議也在不斷推進(jìn)當(dāng)中，支持功率也有所提升，但要與私有協(xié)議達(dá)到“旗鼓相當(dāng)”的效果，還得看后續(xù)各廠商的協(xié)商情況。

協(xié)議上的統(tǒng)一暫且還未得出具體答案，但就目前市面上層出不斷的新品來看，越來越多的接口也是另一種程度上的“統(tǒng)一”。由于支持的功率范圍擴(kuò)大，除了智能手機(jī)之外，還有很多其他的電子設(shè)備也可以使用快充技術(shù)，如平板電腦、筆記本電腦、耳機(jī)、手表等。這些設(shè)備可以通過USB-C接口或無線充電方式實(shí)現(xiàn)快速充電，提高用戶的便利性和效率。

在采訪過程中，上述廠商代表均提到了兼容性、多接口的趨勢。張相陽表示，兼容越多、功率越大，對(duì)磁元件的頻率段、峰值、散熱等都會(huì)有新的要求。

不過，出于充電器與消費(fèi)者需求聯(lián)系緊密的考慮，汪洪偉也表示，若各種協(xié)議、技術(shù)統(tǒng)一之后，快充充電器的設(shè)計(jì)和元器件的客制化程度都將得到提高。

“因此，我們要學(xué)會(huì)柔性生產(chǎn)，這也是經(jīng)緯達(dá)正在努力做的，”汪洪偉說，“從現(xiàn)在快充充電器消費(fèi)市場上看，一是減少使用，二是廠商不再免費(fèi)提供，那未來更多的電源廠商會(huì)直接銷售產(chǎn)品，這意味著再快充充電器的設(shè)計(jì)上會(huì)更加個(gè)性化。面對(duì)各種各樣的需求的時(shí)候，對(duì)我們來說就要去考慮穩(wěn)定性的問題，所以柔性設(shè)計(jì)、柔性生產(chǎn)都會(huì)成為新的思路。”

結(jié)語

在GaN快充問世的前兩年，許多人還處在觀望狀態(tài)，然而再經(jīng)過兩年之后，GaN在快充上的應(yīng)用已經(jīng)愈發(fā)成熟，并席卷快充市場。GaN等第三代半導(dǎo)體的出現(xiàn)，為各相關(guān)領(lǐng)域帶來了突破性的進(jìn)展。伴隨其在5G通信基站和消費(fèi)電子業(yè)務(wù)的確定性增長，待技術(shù)進(jìn)一步更新之后，GaN將在未來幾年內(nèi)在高功率電源、新能源汽車、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域大范圍應(yīng)用。

而從GaN在快充充電器方面的應(yīng)用情況我們也能窺見其對(duì)變壓電感變壓器的影響，比如高頻的技術(shù)難題，快充協(xié)議統(tǒng)一帶來的挑戰(zhàn)、后續(xù)進(jìn)行柔性生產(chǎn)的必要性，從而映射到其他正在萌芽的領(lǐng)域當(dāng)中，希望能為電感變壓器企業(yè)后續(xù)的布局帶來一些啟示。