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從2019年年底到現在，手機快速充電這個話題又火熱起來了，而且熱度不減。這不由得讓我們想起前幾年手機圈兒掀起的第一波“快充”熱潮，彼時眾多手機廠商都將快充作為一個新賣點，“充電n分鐘，通話n小時”的廣告語不絕于耳，各種快充標準也是紛紛登場，意欲在市場上一決雌雄。 而發端于2019年的這第二波“快充”熱潮，這其中是真有市場需求，還是僅僅“虛火”一場呢？讓我們走到幕后看看究竟發生了什么，也許能明白一二。 快速充電是電池供電設備的“救星” 普華永道的市場調研及分析數據表明，中國有86%的人口正在使用移動支付。在中國的許多城市，即使是小攤販也可以使用手機進行交易，越來越多的中國人出門不再攜帶現金和信用卡。據統計，移動支付可使消費頻次增長23%以上，在拉動內需上功不可沒。可以說，通過智能手機、可穿戴設備和非接觸式現金卡來代替現金和傳統信用卡的移動支付方式，徹底改變了我們現有的支付方式。如果算上刷碼乘車、新冠肺炎疫情期間出示手機健康碼等應用，智能手機等移動設備已經成為人們生活的必需品。根據工信部的數據，截至2019年11月底，我國移動電話用戶總數達到16億。 
圖1：中國有86%的人口正在使用移動支付（資料來源：Global Consumer Insights Survey 2019） 在如此高的手機普及率下，想必很多消費者都有這樣痛苦的經歷：刷碼付款的關鍵時刻，手機沒電了。而移動支付，僅僅是隨著普及率的攀升，人們對手機“依賴”程度日趨增加的一個縮影。智能手機越是深度地融入我們的生活，“永遠在線”也就越發成為消費者對其的最大期望。這樣的要求，也在延伸到其他和手機密切關聯的便攜式聯網設備，比如可穿戴設備。 對于經常出差或旅行的旅客來說，由于每個便攜式電子設備的充電方式相互不兼容，他們必須攜帶各種充電器或適配器，不僅要不厭其煩地記住這些適配器分別適用于哪個設備，在等待登機或乘坐火車時給手機、筆記本電腦和耳機充電時，幾個小時的充電時間也是讓人難以忍受的。 現在，快充已經不僅僅是一項技術，它正在成為我們生活中的剛需，直接影響了人們的生活質量。 新一代的“快充”充電器 配有大屏幕、大電池的智能手機、平板電腦和筆記本電腦等電子設備的保有量持續攀升的的現狀，極大地刺激并創造了價值數十億美元的快速充電器市場。而對快速迭代的快充充電器來說，這兩年一個最突出的變化，就是氮化鎵（GaN）技術的應用。 據統計，自2018年以來，三星、Oppo、小米和Verizon等知名品牌，已經向市場提供了數百萬個氮化鎵（GaN）快速充電器。在亞馬遜網站上，GaN充電器的種類多達近百種，功率從30W到100W不等，價格介于69.99美元和18.99美元之間。 2019年9月份，有媒體對市售的多款USB PD氮化鎵充電器進行了拆解評測，這些產品雖然性能指標有較大差異，但與上一代快充產品相比有一個趨勢非常明顯，即充電器的功率越做越大，而產品的體積越來越小。 為什么必須是GaN？ GaN充電器市場之所以這么熱，主要還是因為它不僅功率大、充電快，體積還小很多。這些優勢大多源于GaN獨有的物理特性。 GaN屬于第三代寬禁帶（WBG）半導體材料，擁有獨特的高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率等特性。它的禁帶寬度約為3.4eV，電子遷移率非常高，比硅（Si）快了近20倍，不僅能夠滿足現代電子技術對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等提出的最新需求，還可以降低50%以上的能量損失，最高可使設備的體積減小近75%。 目前市場上的GaN快充充電器主要采用650V GaN功率芯片（GaNFETs）作為電源開關，利用GaN的高頻特性使終端快速充電產品體積更小、效率更高。 將GaN器件用于充電器中，不僅能提供足夠的電量為筆記本電腦快速充電，還能為智能手機、平板電腦、耳機和VR耳機等其他各種移動設備快速并安全地充電。可以說，一個GaN充電器就能為你擁有的所有移動設備充電，不僅節省時間、重量減輕，更可以節省購買不同充電器的費用。
圖2：小米GaN Type-C 65W充電器（圖源：京東商城） 小米2020年2月份推出的小米GaN Type-C 65W充電器，重量僅有82克，體積比小米筆記本標配的適配器減小約48%。在小米公司的宣傳材料中可以看到，小米GaN Type-C 65W充電器只需45分鐘就能為小米10 Pro充滿電；為iPhone 11充電時，充電速度比5W原裝充電器快了近50%。就是這樣一款既小巧、充電速度又快的產品，在京東商城上的售價僅為139元。 說到這里大家可能都明白了，現在的“快充”市場之所以火熱，除了市場需求的驅動，很大程度上也得益于GaN技術的發展。借助GaN獨有的物理特性，能夠讓消費者以較低的成本就能得到一個能為手里所有便攜式電子設備快速充電的產品。要說這一波“快充”市場熱潮幕后的技術推手，一定是非GaN莫屬了。 GaN技術商用的推手 GaN市場目前主要由半導體行業的巨頭主導，很多國際大公司早就看到了GaN的商業價值，他們投入了大量資金用于GaN器件的研發。 Cree屬于較早投身GaN和SiC器件研發的企業，為此他們不惜放棄自己獨領風騷很多年的LED照明業務。隨著Panasonic (松下)、TI (德州儀器)、Navitas、Power Integrations等公司的加入，GaN市場的競爭越來越激烈，各個廠商推新的節奏也明顯在加快。 · 英飛凌就宣稱其是一家同時掌握Si、SiC和GaN等各種功率半導體技術的公司，它深厚的技術功底，可以緊隨市場發展的腳步。 · 德州儀器最近也展示了其自主開發的對流冷卻900V、5kW雙向AC/DC平臺，這是其GaN器件研發的最新成果，進一步擴展了GaN在汽車、并網存儲和太陽能等領域的新應用。 · Navitas的GaNFast電源IC一直在深耕充電頭市場，據稱市場上約有50余種使用了GaNFast的移動快充產品和平臺。 · Power Integrations在其新發布的InnoSwitch3器件中，用GaN開關晶體管替換了IC初級的常規高壓硅晶體管，大幅降低電源系統能耗，無需使用散熱片即可實現高達95%的效率及100W的輸出功率。 · 松下利用其獲得專利的X-GaN技術，在多個應用領域生產GaN基晶體管，包括效率高達99%的功率轉換器和電機配置中晶體管的替代品。 這一波GaN快充市場熱潮，也成為中國本土半導體公司關注的“新賽道”。在中國，大力發展集成電路產業已是“新基建”的重要內容。國內雖然進入第三代寬禁帶半導體領域比較晚，但進步很快，已經涌現出一大批GaN器件IDM企業，比如蘇州能訊、英諾賽科、江蘇能華、海威華芯等。2020年4月份，洛克（ROCK）公司發布了首款內置“中國芯片”的GaN快速充電器，引起業界高度關注。這款“中國芯片”來自于英諾賽科的“InnoGaN”系列電源芯片，標志著國產GaN器件正式應用于消費類電力產品中。 圖3：洛克公司推出的首款內置“中國芯片”的GaN快速充電器（圖源：充電頭網） 節能是一個永恒的話題，全球各地正在積極推出各種應對措施，而邁向節能世界的一個關鍵步驟就是新材料的應用。在快速充電的熱潮中，GaN材料通過更高的功率密度實現了更小、更輕的設計。隨著整體系統成本的降低，以GaN為代表的第三代寬禁帶半導體將開創電力電子的一個新紀元。 文章來源：貿澤電子 作者：Doctor M |
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