報道 似乎在一夜之間，GaN已經(jīng)全面占領(lǐng)快充市場。從各大消費(fèi)電子品牌到第三方配件廠商，無一不推出了采用GaN技術(shù)的快充產(chǎn)品。即使是最為謹(jǐn)慎的蘋果，也為最新的筆記本配備了采用GaN技術(shù)的140W快充充電器。
能夠緩解設(shè)備的充電焦慮，是GaN得以被廣泛采用的重要原因，而GaN器件技術(shù)的發(fā)展，則是GaN得以在快充領(lǐng)域落地的充分條件。
GaN在快充市場一飛沖天
2018年10月25日，Anker發(fā)布了PowerPort Atom PD 1——全球首款GaN充電器，將GaN正式引入了消費(fèi)電子領(lǐng)域。這款充電器支持PD快充協(xié)議，提供最高27W的輸出功率，但是僅比iPhone原裝的5W充電器稍大，可以為任天堂Switch或MacBook Pro充電。
直到2019年9月，OPPO發(fā)布國內(nèi)首款GaN充電器SuperVOOC2.0，充電功率為65W，在這個標(biāo)志性的事件之后，GaN終于正式進(jìn)入了龐大且極具影響力的手機(jī)市場。而在2020年下半年，由于5G手機(jī)的競相發(fā)布，隨著移動用電設(shè)備功耗的增加，快充產(chǎn)品開始大行其道，更讓GaN的應(yīng)用如魚得水。
這其中還有一個意外的原因，以蘋果帶頭、三星跟進(jìn)的取消標(biāo)配充電器的行為，為更多第三方進(jìn)入快充市場創(chuàng)造了機(jī)遇，間接促成了GaN的爆發(fā)。由于蘋果和三星有非常強(qiáng)勢的風(fēng)向標(biāo)作用，其他手機(jī)廠商紛紛跟進(jìn)，迫使消費(fèi)者單獨(dú)購買充電器，第三方快充的需求被徹底釋放。
作為下一代的技術(shù)，GaN自然是受到了各廠商的追捧。除了OPPO、realme、小米、努比亞、三星、聯(lián)想、中興等手機(jī)廠商推出的產(chǎn)品之外，第三方廠商也是不遺余力地跟進(jìn)，市場上20W-120W GaN快充產(chǎn)品已多達(dá)數(shù)百款。蘋果配合新款MacBook Pro筆記本發(fā)布的140W充電器，更是將GaN的市場應(yīng)用推向了新高度。
根據(jù)全球著名調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole Développement的最新研報顯示，2026年全球GaN功率器件的市場規(guī)模有望達(dá)到11億美元；在2020-2026年期間，該市場的年復(fù)合增長率將達(dá)到70%，消費(fèi)類市場將是其主要驅(qū)動力。
GaN為什么如此受歡迎？因為與傳統(tǒng)主流的Si材料相比，作為第三代半導(dǎo)體材料，GaN具有禁帶寬度大、導(dǎo)熱率高等特性，使得器件能夠承載更高的能量密度，更高的耐受溫度；電子飽和速度快，具有較高的載流子遷移率，GaN器件開關(guān)速度也更快；而且GaN器件導(dǎo)通電阻小，能效更高。
使用GaN制作的充電器，外形尺寸可以比傳統(tǒng)的Si基充電器減少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，因此整體重量可減少15-30％。
擁有如此多的優(yōu)勢，輔之以高效的USB PD協(xié)議，GaN快充產(chǎn)品自然是叫好又叫座了。
全集成方案促成GaN快充爆發(fā)
GaN快充充電器的爆發(fā)，從外來說是市場需求的驅(qū)動，從內(nèi)來看則是GaN功率器件技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。從最初的分立式解決方案發(fā)展至全集成式功率芯片，簡化設(shè)計難度的同時也降低了系統(tǒng)成本。
全集成式功率芯片中最為經(jīng)典的就是Power Integrations（以下簡稱PI）公司推出的InnoSwitch3系列。
InnoSwitch3在電源IC市場已經(jīng)久負(fù)盛名。因為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，使得InnoSwitch3具有高集成、高效率、高可靠的優(yōu)勢。
PI公司將自行開發(fā)的PowiGaN開關(guān)技術(shù)整合進(jìn)最新的InnoSwitch3中，取代了原先的Si基MOSFET，使其可在整個負(fù)載范圍內(nèi)提供95%的高效率，并且在密閉適配器內(nèi)不使用散熱片的情況下可提供100W的功率輸出。
之前，開發(fā)GaN 應(yīng)用的主要難點(diǎn)在于其超高的開關(guān)速度，非常難于驅(qū)動和保護(hù)。PowiGaN技術(shù)則將GaN開關(guān)集成于IC內(nèi)部以提供可靠的保護(hù)，具體來說就是將控制器、驅(qū)動器、PowiGaN開關(guān)、保護(hù)電路及SR控制集成在一個器件以內(nèi)，以提供更高的效率。
將GaN開關(guān)集成進(jìn)芯片中也是一個非常聰明的做法，因為GaN與Si的MOSFET在工作方式上并沒有任何區(qū)別。簡單的反激式電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、無論是采用硅晶體管還是采用PowiGaN開關(guān)的InnoSwitch3 IC均使用相同的開關(guān)電源設(shè)計流程、相同的開關(guān)頻率、開關(guān)波形也極為相似、無異常的電路特性表現(xiàn)及增加特別的設(shè)計考量，只需根據(jù)輸出功率的不同選取相應(yīng)的外部電路元件，確保設(shè)計工程師能輕松掌握，保證開發(fā)的一致性和連貫性。
諸多的優(yōu)勢讓基于GaN的InnoSwitch3發(fā)布后僅兩個月的時間就達(dá)成出貨100萬。上文所提到的PowerPort Atom PD 1，以及OPPO Reno Ace原裝65W GaN等產(chǎn)品都搭載了該芯片。
進(jìn)入2021年，搭載PowiGaN技術(shù)的最新一代InnoSwitch4系列芯片也閃亮登場。這款芯片應(yīng)用有源鉗位反激架構(gòu)，內(nèi)置有源鉗位上管驅(qū)動信號輸出，通過外置的ClampZero實現(xiàn)有源鉗位工作，將漏感能量回收，可實現(xiàn)高95%的轉(zhuǎn)換效率。其內(nèi)置堅固的750V耐壓PowiGaN主開關(guān)，穩(wěn)態(tài)開關(guān)頻率高達(dá)140KHz，可最小化變壓器體積。
InnoSwitch4-CZ/ClampZero的芯片組使設(shè)計者能夠為手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦設(shè)計高達(dá)110W的超高功率密度充電器，這些設(shè)計在以前是無法實現(xiàn)的。因此這款芯片一經(jīng)推出，就被Anker用于其65W快充等產(chǎn)品，獲得市場一致好評。
同時，在市場上也有越來越多的廠商跟進(jìn)，無論是國際大廠，還是國內(nèi)后期之秀，都開始推出全集成的GaN快充方案，加速推進(jìn)了技術(shù)的成熟進(jìn)度。
器件價格下降 市場只是剛剛起步
促成GaN在快充領(lǐng)域的大量應(yīng)用，還有一個重要的原因就是GaN器件的價格大幅下降。在2021年初，GaN功率晶體管的重要廠商GaN Systems就宣布，其低電流，大批量GaN晶體管的價格已跌至1美元以下，這些晶體管通常用于智能手機(jī)和筆記本電腦以及各種消費(fèi)品和工業(yè)應(yīng)用的GaN充電器和AC適配器。
從全球著名分銷商Mouser給出的數(shù)據(jù)來看，80%的在售GaN HEMT（GaN晶體管）產(chǎn)品為耐壓650V，其2020年的平均價格約為2.73 元/A，較2019 年下降 23.5%。事實上，由于疫情影響以及需求持續(xù)旺盛，導(dǎo)致原材料價格上漲;下游PD快充市場爆發(fā)，GaN芯片供不應(yīng)求，盡管如此，價格仍然有所下降。據(jù)統(tǒng)計，2020年底面向 PD快充650V的GaN HEMT 實際成交價格區(qū)間已經(jīng)下落到0.5元/A以內(nèi)，與Si器件的價差已經(jīng)縮小到1.5倍以內(nèi)，具有較強(qiáng)的競爭力。
也許正是預(yù)見到了GaN技術(shù)會快速成熟，在2019年半年度財報電話會議上，PI 公司CEO Balu Balakrishnan就表示，由于智能手機(jī)市場快充技術(shù)的持續(xù)擴(kuò)張，USB PD將在未來幾年成為公司收入增長的驅(qū)動力。
隨后的市場發(fā)展也正如他所料。行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，在以電商客戶為主的充電器市場，2019年GaN器件出貨量約為300萬-400萬顆，2020年實現(xiàn)了5-6倍增長，總體出貨1500-2000萬顆，2021年GaN器件的出貨量則有望達(dá)到5000萬顆。
這種勢頭還在延續(xù)。TrendForce集邦咨詢最近的研究顯示，受惠于消費(fèi)性快充產(chǎn)品需求快速上升，如手機(jī)品牌小米、OPPO、ViVO自2018年起率先推出快速充電頭，憑借高散熱效能與體積小的產(chǎn)品優(yōu)勢獲得消費(fèi)者青睞，截至目前筆電廠商也有意跟進(jìn)，使GaN功率市場成為第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中產(chǎn)值上升最快速的類別，預(yù)估2021年營收將達(dá)8,300萬美元，年增高達(dá)73%。
TrendForce還表示，2020年絕大多數(shù)GaN快速充電器的峰值功率都在55-65W范圍內(nèi)。峰值功率為55-65W的GaN快速充電器占去年所有GaN快速充電器銷量的72%（65W為主流），而峰值功率為100W及以上的GaN快速充電器僅占8%。
不過，隨著蘋果進(jìn)入大功率市場的示范作用，越來越多的廠商也會相繼推出相應(yīng)的產(chǎn)品，以應(yīng)對消費(fèi)者日益增加的需求。GaN在快充市場的精彩故事，只是剛剛開始。
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