GaN充电头真的要火了！

技术分享 安富利 昨天
4月初，华为按照既有的上新节奏发布了最新的P40旗舰手机。不过发布会上，一个配角却很抢镜，这就是华为同步推出的基于GaN（氮化镓）技术的超级快充充电器，它支持65W最大功率，有Type-C和Type-A双接口，5月下旬开售。

这些年在消费电子市场，华为一直扮演着领跑者的角色，但是这次在GaN充电头上却落后了，因为早在2月，小米就伴随新机发售率先推出了仅售149元的65W GaN充电头，赚足了眼球。而再回溯到2019年10月，OPPO Reno Ace发布时，其标配就是一款65W超级闪充GaN充电头，由此OPPO也宣称自己是全球首家在手机充电器中导入GaN技术的手机厂商。

实际上，充电器配件厂商试水GaN的行动要更早些，早在2018年10月Anker就发布了全球首款USB PD GaN充电器，到今年的CES2020上，有数据显示已经有30家充电头厂商推出了66款GaN快充产品。不过，如今手机头部OEM的积极跟进——据说苹果今年也会推出GaN快充产品——向人们传递出一个强烈的信号：GaN充电头真的要火了！

根据中信证券的市场分析，预计2020年全球GaN充电器市场规模为23亿元，2025年将快速上升至638亿元，5年复合增长率高达94%。





热点的诞生




GaN作为第三代半导体材料，与传统主流的硅材料相比，禁带宽度大、导热率高，使得GaN器件能够承载更高的能量密度，承受更高的温度；由于电子饱和速度快，具有较高的载流子迁移率，GaN器件开关速度更快；而且GaN器件导通电阻小，能效更高。这些优异的特性，让人们对其给予了厚望。

基于GaN上述的性能优势，射频和电源一直被认为是GaN大规模商用的两个主攻方向。这两年5G网络的建设无疑是GaN在射频领域中一个重大机遇，根据Yole的预测，未来5～10年内GaN将逐步取代LDMOS，成为3W及以上射频功率应用的主流技术。不过从2019年开始，GaN器件的市场成长动力明显发生了改变，电源市场营收的占比正在急剧增长。Yole预测，2019年GaN电源目标市场约为9000万美元，2021年将达到1.6亿美元，而在2022年将增长到2.4亿美元，其中GaN充电器将是一个贡献最大的“爆品”。

 


图1：GaN器件的主要应用市场增长及规模（资料来源：Yole）

从技术角度分析，采用GaN技术的充电器外形尺寸可比传统的基于硅的充电器减少30-50％；同时，整体系统效率可高达95％，这意味着在相同尺寸和相同输出功率的情况下，充电器外壳温度将比传统充电器更低；此外，GaN充电器可以使用较小的变压器和较小的机械散热器（或其他散热辅助装置），因此整体重量可减少15-30％。这样的性能提升幅度，是传统硅技术望尘莫及的。而且在“电池焦虑症”广为流行的今天，GaN技术正好可以与USB PD等快充技术相辅相成，让用户体验上一个新台阶。因此，GaN充电头成为一个普遍“叫好”的市场新热点，也就顺理成章了。





技术的推力




当然，之所以GaN能够在这两年逐渐渗透进充电头这个“红海”市场，肯定也不是“霸王硬上弓”，其后面还有一个重要的技术推手。

之前GaN技术商用进程中，一直有几个困扰开发者和用户的瓶颈，如成本、可靠性、产业链成熟度，以及应用开发经验等。因此可以看到，GaN器件过去一直是在围着一些专业市场转悠，而没有找到更大量级的消费级市场的突破口。在过去两年中，随着采用GaN技术的新器件的推出，这种局面逐渐被打破了。

比如2019年8月，Power Integrations（以下简称PI公司）发布了采用其独有PowiGaN氮化镓开关技术的InnoSwitch3系列恒压/恒流离线反激式开关电源IC。InnoSwitch3是PI引以为傲的针对高能效充电器市场的电源IC，由于在一个小型化的表面贴装封装内集成了初级功率开关、初级和次级控制电路，以及其间相链接的安全隔离型高速链路（FluxLink），同时集成了次级SR驱动器和反馈电路，InnoSwitch3凭借高集成、高效率、高可靠的优势受到市场的青睐。

 


图2：集成了PowiGaN氮化镓开关的InnoSwitch3系列电源IC（资料来源：PI）

在新发布的InnoSwitch3器件中，PI用GaN开关晶体管替换了IC初级的常规高压硅晶体管，这可以降低电流流动期间的传导损耗，并极大降低工作时的开关损耗，这让大幅降低电源系统能耗、进一步提高效率、在更小的体积内输出更大的功率成为可能。根据PI提供的数据，基于PowiGaN的InnoSwitch3满载效率在230 VAC下为95%，在115 VAC下为94%，这让电源工程师完全可以在适配器设计中可省去散热片——在密闭的适配器应用中，无需使用散热片即可实现高达95%的效率及100 W的输出功率。
 


图3：基于PowiGaN的InnoSwitch3的高效率表现（资料来源：PI）

而且，以往GaN应用一个难点在于其超高的开关速度，非常难于驱动和保护，而PI将GaN开关与电源IC集成在一个封装内，简化了客户的设计，方便其能够快速设计出电源产品。这对于充电头这种快速迭代的消费电子市场是非常必要的。

也正是由于上述这种“高性能+易使用”的特点，PI这个基于GaN的InnoSwitch3产品一经推出就收获了不俗的商业成绩——发布仅两个月后出货量就超过了100万。有极客在拆解了OPPO Reno Ace原装65W氮化镓快充充电器后发现，其采用的就是PI的GaN芯片方案。


图4：OPPO Reno Ace原装65W氮化镓快充充电器采用了PI的GaN芯片方案（图源：网络）

当然，这一切只是一个开始。GaN充电头的先行者们，在收获了丰厚的流量和曝光度之后，同样会承受市场不确定性的风险以及用户培育的成本。有行业分析师认为，2020年和2021年将是GaN充电头市场起跑之年，也将是决定其市场接受度和发展后势的关键之年。好在，电子圈的玩家们大多已经深谙此道，既然选择了此时进击，一定会全力一搏。结果如何，让我们拭目以待吧。

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