5月31日,引爆GaN快充技术的小米再创两项充电新纪录

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为了安全地实现这两项快充技术,小米专门为演示机型:小米11 Pro魔改版配备了10C石墨烯电池,并通过两块电池串联的方式极大降低电池内阻,提升充电速度,降低充电温升;且直接使用三颗转换效率高达98.6%的电荷泵并联充电,相比目前2颗电荷泵的通用做法,大幅提升充电速度的同时,发热量也与普通充电接近。

而且有老外爆料称,明年初发布的小米12有望首发亮相200W充电技术

快充市场到底有多大?

快充技术最早找到突破口的市场就是手机,并以此逐步覆盖到了平板电脑、笔记本电脑、显示器、新能源汽车、电动工具、IoT设备等七大市场

据IDC最新数据显示,2020年全球智能手机出货量达12.9亿部。出货量排名前五的品牌是三星、苹果和华为、小米、OPPO,货量分别为2.667亿部、2.061亿部、1.89亿部、1.478亿部和1.112亿部。

据了解,苹果公司目前已陆续发布了14款支持快充的iPhone机型。其中,2020年推出的iPhone 12系列更是开创性的取消了标配充电器;仅这一款机型就给市场增加了上亿台USB PD快充设备,并让数十亿规模的PD快充配件的市场得到释放。

平板、笔记本电脑市场则推动了多口快充和大功率PD移动电源的普及,尤其是65W和90W的快充市场。2020全年手机、平板、笔记本电脑销量高达16.85亿台,每台标配一只充电器,设备和充电器分别需要一颗快充芯片,这个市场每年的快充芯片需求量为33.7亿颗。对于半导体公司而言,从这个巨大的蛋糕中分到一杯羹,就能占据一席之地。

而在笔记本电脑出货量排名前五的头部厂商中,也均有多个系列产品将USB Type-C作为标准充电/数据接口,相当于每年至少有上亿台支持USB PD快充的笔电产品涌入市场,与之配套的快充配件市场前景也变得十分可观。

随着笔记本出货量日益增长和USB Type-C的普及,笔记本使用外接显示器扩展的用户越来越多。有数据显示,2020 年 PC显示器全年共计出货1.36亿台

且由于疫情影响,全球范围内居家办公、远程办公、在线教育用户数量快速增加,导致消费者对于生产力工具有了更为迫切的需求,除了购买PC外,显示器同样能够提升工作效率,改善工作体验。更何况在某些领域中,如设计、创作或者游戏娱乐,一块优秀的屏幕必不可少。

近两年来,USB Type-C&USB PD快充也已陆续得到多家顶级汽车电子制造商的支持,开始在汽车前装系统得到应用。例如,2020年的新能源汽车销冠来自特斯拉Model 3,全年销量累计超过36万辆。按照每辆车标配3个USB-C快充接口,这一车型每年就会使用超过100万套快充电源和协议芯片。

根据瑞典EV-volumes公司的资料显示,2020年全球新能源汽车的销量为324万,而去年同期为226万,同比增长了43.36%。虽然新能源汽车出货量仅在百万台,还未跨入千万级的体量。目前还处于发展初期,但未来也会成为快充主要应用场景,毕竟居家、汽车、办公三点一线的生活,车是其中的枢纽。

万物互联,也让众多传统家电成为智能家居设备的一员。IoT设备市场拥抱快充,首先会从接口统一开始,USB-C口已经成为新型智能家居设备的首选,而内置大容量电池的智能家居设备,自然是快充的最佳应用拍档。

市场分析公司 IDC预测 2020 年智能家居设备出货量将达到8.54 亿台,实现 4.1% 的同比增长。从长期来看,IDC 预计 2024 年全球出货量将超过 14 亿台,五年复合年增长率为 14%。IDC 表示这一增长将来自于人们更多的消费,并继续投资于家庭自动化设备和服务。

近年来随着电动工具小型化、便捷化发展趋势,无绳类充电电动工具渗透率越来越高,其占比从2011年的30%提升至2020年的64%左右。但电动工具市场快充的渗透率还相当低,仅部分新上市的产品搭载有USB-C接口,未来发展潜力巨大。

有数据显示,2020年全球电动工具出货量达到4.9亿台,同比增长5.3%。USB-IF也关注到了USB-C接口和USB PD快充技术在电动工具市场的应用,未来不排除USB PD将会升级输出电压到24-48V,以兼容电动工具市场多串大功率电池组的快充需求。

总之,全球每年将会有近45亿台设备在普及快充的路上,但这也仅仅是2020年一年的统计数据,还不包括在此之前过往数据,因此存量市场同样会继续发挥余热。

氮化镓(GaN)成快充市场“香饽饽”

而氮化镓快充,在已有的快充技术上通过改用氮化镓核心器件,可将手机快速充电器做到功率更大、体积更小、充电速度更快,广受消费者青睐。目前主流手机厂商均已发布氮化镓快充产品。

同时,氮化镓在大功率市场的需求也非常巨大,尤其在5G基站供电模块,以及新能源汽车车载充电(OBC)领域,国内和国际厂商都将目光瞄准了这些市场。预计2020年至2025年,全球GaN充电器市场规模将以94%的年复合增速持续扩大,到2025年将达638亿元

“小巧、高效、发热低”——小米董事长雷军对氮化镓充电器的评价,道出了第三代半导体的性能优势。相比硅材料,第三代半导体拥有耐高温、耐高压、高频率、大功率、抗辐射等先天优势,相比硅器件可降低50%以上的能量损失,并减小75%以上的装备体积。

但参数的优异并不意味着半导体材料一代更比一代好。事实上,一、二、三代半导体材料各有其适合的应用范畴,在未来很长的时间中,这三代半导体材料还将共存。不过,随着第三代半导体的性能日益稳定且价格持续下探,性价比优势将持续凸显。

在第一二代半导体材料的发展上,我国起步时间远远慢于其他国家,导致在材料上处处受制于人,但是在第三代半导体材料领域国内厂商起步与国外厂商相差不多,有希望实现技术上的追赶,完成国产替代

据了解,在氮化镓快充产品的设计中,主要需要用到三颗核心芯片,分别氮化镓控制器氮化镓功率器件以及快充协议控制器。目前氮化镓功率器件以及快充协议芯片均已陆续实现了国产化;而相比之下,氮化镓控制芯片的研发就成了国产半导体厂商的薄弱的环节,氮化镓控制器主要依赖进口,主动权也一直掌握在进口品牌手中。

这主要是因为GaN功率器件驱动电压范围很窄,VGS对负压敏感,器件开启电压阈值(VGS-th)低1V~2V左右,极易受干扰而误开启。所以相较传统硅器件而言,驱动氮化镓的驱动器和控制器需要解决更多的技术难题

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