【哔哥哔特导读】氮化镓带来的稳定性、小型化等方面的优势,成为未来5-10年智能快充重要的技术方向,平面变压器凭借高功率密度以及一致性好等诸多优势,在氮化镓的商用铺开下,渐成香饽饽……
近年来,在手机电池技术停滞不前的情况下,智能手机充电功率逐年提升,量产标配成势。
在过去,智能手机充电功率延续多年仅为5W左右,直到2019年,手机充电功率已经提升到了65W;2020年,提升到了100W以上;2021年,部分机型甚至直接翻倍提升至200W。
轻薄、超大电池容量、超级快的充电速度,三者在手机与智能快充的设计和应用中,本身就存在较大矛盾。如今,智能手机厂商已基本达成默认共识,取舍已是必然。
充电功率的提升,充电标准的设定,用户端只是感受到字面数据的跳动,看不到产业背后的技术权衡与产业争鸣。
作为行业风向标的苹果公司,秋季新品推出的适配16寸MacBook Pro的140W USB-C充电器,支持USB PD3．1快充标准,同时还采用了氮化镓技术,这对于苹果公司来说,至少这两点都是新的……
2025年全球智能快充将有22．36亿台出货量
大比特产业研究室整理数据显示,快速充电器是智能快充领域非常重要的产品,2020年全球智能快充消费电子出货21．34亿台,其中智能手机、PC(平板电脑)、穿戴设备这些领域用量占据80%的比例。
目前有一部分消费电子不在配有充电器,以平均两台消费电子配有一个智能快充保守计算,2021年全球消费电子智能快充出货量约为14．59亿台。
考虑到智能快充这几年处于爆发期,以及未来更多的应用场景智能化需求,在2021年消费电子9%-10%的增长率的基础上,大比特产业研究室预测,未来四年智能快充将有10%-12%增长率,预计到2025年全球智能快充将有22．36亿台出货量。
数据来源于:大比特产业研究室
技术争鸣趋于统一&统一中夹杂着隔阂
在近几年的智能快充趋势中,我们可以看到,智能快充已经全面进入USB PD快充时代,USB PD的全名叫做USB Power Delivery Specification,是USB-IF标准化组织推出的一个快速充电的标准。苹果公司早在iPhone11发布之后,后续系列产品均全面进入了USB PD快充时代。在USB PD快充应用潮下,氮化镓技术也在近年逐渐融入到智能快充的产业争鸣中……
氮化镓高频特性带来的优势不仅仅是性能上的收益,也有效减小周围感性器件、容性器件的体积或使用数量。
因此,不论是智能手机、数据中心、5G或是电动汽车等,对功率器件同样要求更小尺寸、更大功率、更低损耗的低压氮化镓应用,将成为未来氮化镓主要的增长市场。
新技术革新周期越来越短,任何一家科技公司都有可能推出颠覆行业的新产品、新技术。但头部玩家认可与参与的风向标是技术走向普及的重要环节。
10月19日凌晨1点,苹果召开了第二场秋季新品发布会,16寸MacBook Pro标配了全新140W USB-C充电器,不仅支持USB PD3．1快充标准,还向媒体证实了该充电器应用了氮化镓技术,成为苹果旗下首款氮化镓快充充电器,一举刷新了USB PD充电器单口输出最高功率。
140W USB-C充电器是苹果专门为MacBook Pro 2021开发的一款全新电源配件,可以为16寸MacBook Pro笔记本实现高达140W的充电功率,同时也可以使用C to C线缆为其他笔记本进行100W PD快速充电。
苹果公司虽然并非首家将氮化镓技术应用到智能快充的公司,但此番在PD快充上应用氮化镓技术,无疑是氮化镓快充发展的一大里程碑。
除苹果公司以外,联想、华硕、戴尔、小米、华为、OPPO、努比亚、魅族等全球多家知名笔电、手机厂商都已普及应用氮化镓快充,其可靠性、性能已通过市场得到充分验证。
航嘉驰源销售部客户总监廖光峰从事智能快充行业多年,尤为关注该市场的技术变迁。他反应,当下PD智能快充功率越做越大,基本上国内几个手机大厂,每一年推出新的智能快充产品,功率都比上一代要大一些。“不过当前遇到最大的瓶颈并非技术层面,而是由国外掌控的某项协议限定智能快充最大功率不能超过100W,本身PD智能快充输出口支持最大功率就100W,想做超过100W还要做一些定制化处理。”
显然,在PD3．1版本下,此类产品已超过100W,随之而来的新的标准区隔也产生。
去年小米10推出至尊纪念版,标配的智能快充为120W超级快充,该产品生产厂商正是航嘉驰源,就是做了定制化处理。“本身它的USB输出线就跟普通的线就不一样,对整个协议也做了一些私有化的处理,所以现在最大的瓶颈倒不是技术上,协议本身就已经限制了,可能标准下一步会更新。”廖光峰说。
天音电子的电源设计应用工程师唐庭盛表示,现在市面上常规的快充协议有PD3．0 PPS、QC4+、QC 3+,国产芯片与联发科协议并不兼容,在用国产芯片研发快充产品时,常常会出现芯片和快充协议不兼容的问题,这也是一直在困扰着行业工程师的难题,不管是QC或者是国内其他芯片厂采用的都是是电压快充协议,而联发科快充协议则是电流快充协议,所以国产芯片无法兼容。
航嘉驰源研发部总经理叶贵荣表示,此前他们研发大功率类产品时,主要面临的是智能快充体积过大的问题,需要让体积尽可能的小。为此他们采用氮化镓结合平面变压器技术,已经将这一问题解决了。叶贵荣认为,站在消费者的视角看,目前行业最大的问题是厂商之间协议不相通,即不兼容的问题比较突出。
深圳市耐尔金科技有限公司研发部产品经理陈金源说:“虽然目前消费者都在使用PD智能快充,但是它的功率不一样,且智能快充行业的协议标准没有得到统一,整体生态无法串联起来。”
无锡硅动力微电子有限公司副总经理陈浏阳告诉记者,今年新发布的USB PD3．1的版本,主要为将智能快充传输功率从100W升级到240W,他认为,随着智能快充功率密度升级将会兼容更多的终端设备,诸如手机、笔记本、显示器等数码设备。尽管在使用氮化镓方面并非率先推向市场,但苹果是最早使用新USB PD3．1标准的公司之一。苹果140W氮化镓快充的出现,算是开启了USB PD3．1快充时代的大门,因此受到很多人的关注。
作为全球首款支持USB PD3．1快充的充电器,其推出的意义是不言而喻的,在苹果的影响下,更多的厂商会快速跟进,届时一系列支持新快充标准的笔电、充电器、数据线等配件也会如雨后春笋般纷纷冒出。
氮化镓应用给磁性元器件带来增量
标准的争鸣是大厂之间博弈的必然过程,更多生产智能快充的企业只能是标准的服从者,但氮化镓技术与相应技术变革,行业既定风向明显,由此带来智能快充内部结构件也在发生着变化,对于磁性元器件行业会有哪些改变?
大功率充电器体积都较大,即便是苹果公司产品也不例外,如果按传统用硅器件的做法,那么140W的充电器将会比现在苹果最大的充电器体积大一半,非常不便于携带,大大影响了用户体验。越大功率的充电器体积也越大,容纳内部的功率元件和电容器件也越多。
使用氮化镓之后,低导阻和低开关损耗等特性,提高了充电器的转换效率,从而降低充电器内部的散热需求,还可以支持更高的开关频率,同时通过降低散热需求,进而减小充电器磁性元器件体积,最终实现减小了充电器的体积和重量。
海光电子总工欧阳顺昌说,智能快充一般需要一个主电子变压器,并根据设计方案增加一两个普通的电感器。最主要的是选材上会使用高频材料来满足快充功率高,充电速度快的要求。在结构方面,快充所需的磁芯是具有特殊结构的,需要根据客户的需求制定不同的结构。
奥海科技研发副总郭修根说,充电速度加快,意味着快充功率加大,一个传统的做法就是把开关频率加大,对电子变压器、磁性材料的要求就提高了,需要用到一些高频的磁性材料。此外,要做到更高的功率密度,需要降低电子变压器磁芯的损耗,磁性元器件会往高频化、低损耗方向发展。
除性能指标的变化之外,另据大比特产业研究室调研整理发现,随着氮化镓智能快充的应用,其内部所需磁性元器件数量、产品选型也在发生着变化。
从表格中可看到,普通快充与氮化镓快充,在磁性元器件的使用量上,并无太大差异,不过,在大功率充电器中,会相应的增加磁性元器件数量,尤其会增加PFC升压电感。
另据统计,目前65W氮化镓智能快充占据氮化镓品类的智能快充约65%的市场比例,成为市场主导,根据快速充电器出货量计算可知,2021年全球消费电子快速充电器磁性元器件需求量约达到96．31亿颗。
制约行业向上发展的客观因素比比皆是,深圳市航嘉驰源电气股份有限公司研发部总经理叶贵荣说,目前智能快充上游厂家都可能面临半导体芯片短缺,以及原材料涨价等问题,供需矛盾较为严重。
但这对于PD智能快充其实也并非完全是坏事。大比特产业研究室调研,在芯片短缺的情况下,其中PD智能快充是芯片企业优先关注的领域,芯片短缺也将加速大功率(65W及以上)快速充电器的市场渗透率,大比特产业研究室预测,2025年大功率快速充电将达到97%的市场渗透率,同时大幅度提升磁性元器件需求,攀升至176．2亿颗。未来4年,预需582．92亿颗磁性元器件。
数据来源于:大比特产业研究室
柔性磁电研发经理余自晶表示,“目前65W的智能快充已基本能够满足消费者的需求,但是我觉得快充未来还是会一直追求更高的功率,以适应消费者特殊场景中的应用,比如出差时,只有短暂的充电时间,这就需要更高充电功率的智能快充,在更短的时间完成充电。”
TrendForce集邦咨询数据显示,2020年氮化镓快充市场以55W-65W为主流功率段,约占氮化镓元件销售市占率72%,其中又以65W为主流。而百瓦级大功率产品,2020年市占率仅约8%。在百瓦级大功率快充产品领域内,氮化镓技术市场渗透率已高达62%。
平面变压器地位支棱起来了
在新的技术应用潮流下,我们发现,平面变压器已成为智能快充不可或缺的重要“搭档”了,尤其是65W及以上功率段的产品。
用于苹果智能快充的平面变压器,由胜美达生产
在追逐大功率,小体积,高效率过程中,平面变压器是业内一直在尝试使用的一种新型高频铁氧体电感元件。由于平面变压器造型方正,适合于平面贴装,方便设计,并可使各类型电子产品实现轻薄小型化。
与常规的电子变压器相比,平面变压器除了结构体积上的优势之外,还具有电流密度高、效率高、漏感低、发热量小、散热性好等优点,许多企业其实早有成型产品推出。
直到氮化镓智能快充推出,似乎才焕发第二春,使得平面变压器得以大规模商用,市面上出现了两种应用类型,分别是:单纯PCB+磁芯组合;PCB+磁芯+同步整流电路的组合。
普通快速充电器与氮化镓充电器里面的磁性元器件数量基本相同的,最大的区别在于氮化镓充电器因为体积更小、功能性更强等原因,目前市场基本倾向于使用平面电子变压器。
嘉裕电子副总唐高登表示,对磁性元器件厂商来说,传统变压器产线所需人力比较多,平面变压器因其自动化程度高,产能弹性更为灵活,能更好地适应市场的需要,也推动了企业从传统变压器向平面变压器发展。
在对多款氮化镓智能快充实际拆解过程中,也能发现事实如此,如市场上OPPO、小米、华为生产的氮化镓充电器都搭配的是平面变压器。
华为推出的65W双口氮化镓快充充电器、66W多口氮化镓超级快充充电器、66W氮化镓超薄充电器等多款充电器产品,其充电器内部布局都相对比较紧凑,均应用了高集成的平面变压器,最大限度的压缩了体积。
联想thinkplus 65W氮化镓口红电源Pro,充电器内部设计布局有序紧凑,同样额外设计两块PCB板以及使用平面变压器减小体积,平面变压器还接地线处理。
小米65W 1A1C氮化镓快充充电器,充电器内部设有多块PCB板,平面变压器小板横贯初次级;小米120W氮化镓快充充电器内部电源模块基于PFC+QR架构开发,为了实现紧凑、小体积的设计,充电器的内部元器件排布非常密集,同样应用了集成度更高的平面变压器。
类似将平面变压器用到氮化镓快充的产品还有很多,不胜枚举。
目前PD智能快充已渐趋成为市场主流产品,通过行业人士对不同品牌的产品网罗拆解,结合大比特产业研究室调研整理,我们还可以观察发现,目前在主流的PD智能快充中,主流的功率段基本为65W。未来更大功率段的智能快充产品可能还会不断涌现,但在较长一段时间内,65W智能快充,显然已成为标配趋势。
磁企高标准生产平面变压器
随着氮化镓智能快充的普及,由此产生应用变化的控制芯片、平面变压器、电容等研发、制造生态链也将逐渐趋于完善。目前,国内许多磁性元器件厂商,重点开发平面变压器,收效甚佳。
经纬达科技研发总监汪洪伟说,他们整合了优质供应商,在平面变压器磁芯技术方面,与东磁、安磁、西磁等国内知名磁性材料厂商合作。并采用CCTC超声印制板,为产品质量提供保障。
在生产方面,经纬达平面变压器生产过程可实现全自动化。他们铺设5条全自动化生产线,月产量将达到5KK只,满足平面变压器生产需求,大幅提高产品一致性和产品品质。自动化产线根据具体生产工序分为四个模块,每个模块仅需一名操作员,有效降低了生产成本。
据了解,经纬达平面变压器产品运用广泛,产品面向华为、OPPO、VIVO等多家知名客户。汪洪伟说,除了手机快充外,他们这款产品还可应用于电视机、防水电源、LED显示屏、医疗电源、新能源汽车、电脑电源,以及各类电器终端产品上。
柔性磁电公司的生产线可用于开发不同类型的平面变压器产品,涵盖不同的应用领域。其自主研发的无人化平面变压器生产线将物联网、电气自动化、机械自动化等多项技术融合在一起,形成跨平台的自动化生产系统,大大提高了平面变压器的生产效率和产品性能的一致性。基于全新的无人化变压器生产线,他们推出了多款平面变压器,涵盖20-150W应用。
奥海科技郭修根“氮化镓的优势在于其可让智能快充更高效率、体积更小,符合当前追求小型化的行业趋势,高阶的产品基本会开始采用氮化镓。与之而来的是成本的提升,氮化镓的成本较高,可能比传统的硅器件贵3-5倍。”
欧陆通工程师林工表示,氮化镓的优缺点都很明显,缺点方面,在辐射传导、EMI方面的技术要求更高,这也是导致目前氮化镓充电器的成本更高的部分原因。
市场有需求,厂家有响应,奥海科技也不例外,今年他们也相继推出几款氮化镓快充。郭修根表示,氮化镓确有优势,但市场潜力还有待考察,拭目以待。据悉,奥海科技新的智能快充生产线建设项目,将在今年2021年12月31日前投入使用。
尚品科技副总王以俭同样表示,氮化镓在智能快充领域是一个相对比较新的东西,且价格比较高,所以许多中小型企业还是处在观望的过程中。尚品科技相对还是比较认可该技术在消费端的应用,近几年来技术工艺更加成熟,生产量也在逐步提升,性能上也有了突破,很符合消费者对快充体积小型化追求。他们与氮化镓厂商共同合作开发,从源头做产品原创设计,已成功开发几款产品,正在推向市场。
久利科技(苏州)有限公司开发部经理李永红认为,未来,智能快充的发展重点还是集中在功率的提升,提升性价比。从磁性元器件厂商在这一领域,未来的发展方向主要是新型材料、新技术和新工艺的应用,如选择一些高频低功耗的磁性材料,大量应用平面和PCB变压器的制作工艺,即平面变压器,在同等或更小体积下,实现更高功率,提升产品性价比。“目前华为系是国内快充领域具有前瞻性和技术标杆的厂商之一,我们也会按照行业最优秀的快充厂商的标准来要求自己。”
据王以俭介绍,尚品科技平面变压器采取包裹式的结构, PCB体积是非常小,而PCB以往成本比较高,缩小体积之后,也提高其性能,使得磁性元器件总体成本降低,性价比更高。“此外,平面变压器更适应自动化潮流,原本需要用十几个人绕线,现在只需要用一块PCB就能组合完成,不仅能降低人工成本方面的压力,也能保证产品的一致性。目前我们公司已经设计出了一条全自动化的产线。”
目前,平面变压器已在消费电子、汽车电子、医疗设备、工业控制等多种领域引起重视及,并实现小规模应用。
总结
无论国内品牌,亦或海外品牌,几乎一线的手机、笔电厂家都相继推出了氮化镓智能快充,撇开成本制约全面量产的弊端,氮化镓带来的稳定性、小型化等方面的优势,足以证明这一快充技术的应用将成未来5-10年重要的技术方向。
向来是消费类电子产品的风向标的苹果公司,今秋推出的140W氮化镓智能快充充电器,也势必一堆第三方电源厂商加码跟风布局,推动未来智能快充更新换代,也助推氮化镓技术在消费类电源市场势进入发展快轨。
眼下,65W智能快充成标配基本成为趋势,随着USB PD3．1快充标准的发布,以及USB PD3．1快充充电器量产,未来的氮化镓智能快充也将不再局限于65W,更高功率段的氮化镓智能快充市场也将缓缓打开。
通过国内电源资讯平台和技术人员的拆解图可以看出,在现有的国产氮化镓智能快充产品中,核心的氮化镓功率器件、控制器,主要以进口品牌为主,而电感器、平面变压器已基本实现国产化,证明国产磁性元器件已基本深入到氮化镓智能快充市场。随着该市场的深入、是已布局的磁性元器件厂商提升市场占比,还是更多有平面变压器等产品技术的企业进场分羹,我们拭目以待。
整体来看,近两年来全球氮化镓快充充电器出货量已经突破了数千万只,并且得到消费者的广泛关注与认可。相信在未来的市场中,氮化镓技术及氮化镓智能快充的发展将会变得更加迅速,氮化镓也将从智能快充市场出发,在手机、平板电脑、笔记本电脑站稳脚跟后,逐渐向家电、新能源汽车、电动工具、IoT设备等市场迈进,为更多的行业发挥价值。平面变压器凭借高功率密度以及一致性好等诸多优势,提高能效,减小体积,实现更具竞争力的设计,不仅在智能快充得以挥毫舞墨,新能源等领域也将有更多可能……
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