4月初，華為按照既有的上新節(jié)奏發(fā)布了最新的P40旗艦手機。不過發(fā)布會上，一個配角卻很搶鏡，這就是華為同步推出的基于GaN（氮化鎵）技術的超級快充充電器，它支持65W最大功率，有Type-C和Type-A雙接口，5月下旬開售。 這些年在消費電子市場，華為一直扮演著領跑者的角色，但是這次在GaN充電頭上卻落后了，因為早在2月，小米就伴隨新機發(fā)售率先推出了僅售149元的65W GaN充電頭，賺足了眼球。而再回溯到2019年10月，OPPO Reno Ace發(fā)布時，其標配就是一款65W超級閃充GaN充電頭，由此OPPO也宣稱自己是全球首家在手機充電器中導入GaN技術的手機廠商。

實際上，充電器配件廠商試水GaN的行動要更早些，早在2018年10月Anker就發(fā)布了全球首款USB PD GaN充電器，到今年的CES2020上，有數(shù)據(jù)顯示已經(jīng)有30家充電頭廠商推出了66款GaN快充產(chǎn)品。不過，如今手機頭部OEM的積極跟進——據(jù)說蘋果今年也會推出GaN快充產(chǎn)品——向人們傳遞出一個強烈的信號：GaN充電頭真的要火了！ 根據(jù)中信證券的市場分析，預計2020年全球GaN充電器市場規(guī)模為23億元，2025年將快速上升至638億元，5年復合增長率高達94%。

熱點的誕生

GaN作為第三代半導體材料，與傳統(tǒng)主流的硅材料相比，禁帶寬度大、導熱率高，使得GaN器件能夠承載更高的能量密度，承受更高的溫度；由于電子飽和速度快，具有較高的載流子遷移率，GaN器件開關速度更快；而且GaN器件導通電阻小，能效更高。這些優(yōu)異的特性，讓人們對其給予了厚望。 基于GaN上述的性能優(yōu)勢，射頻和電源一直被認為是GaN大規(guī)模商用的兩個主攻方向。這兩年5G網(wǎng)絡的建設無疑是GaN在射頻領域中一個重大機遇，根據(jù)Yole的預測，未來5～10年內(nèi)GaN將逐步取代LDMOS，成為3W及以上射頻功率應用的主流技術。不過從2019年開始，GaN器件的市場成長動力明顯發(fā)生了改變，電源市場營收的占比正在急劇增長。Yole預測，2019年GaN電源目標市場約為9000萬美元，2021年將達到1.6億美元，而在2022年將增長到2.4億美元，其中GaN充電器將是一個貢獻最大的“爆品”。

圖1：GaN器件的主要應用市場增長及規(guī)模（資料來源：Yole）

從技術角度分析，采用GaN技術的充電器外形尺寸可比傳統(tǒng)的基于硅的充電器減少30-50％；同時，整體系統(tǒng)效率可高達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械散熱器（或其他散熱輔助裝置），因此整體重量可減少15-30％。這樣的性能提升幅度，是傳統(tǒng)硅技術望塵莫及的。而且在“電池焦慮癥”廣為流行的今天，GaN技術正好可以與USB PD等快充技術相輔相成，讓用戶體驗上一個新臺階。因此，GaN充電頭成為一個普遍“叫好”的市場新熱點，也就順理成章了。

技術的推力

當然，之所以GaN能夠在這兩年逐漸滲透進充電頭這個“紅海”市場，肯定也不是“霸王硬上弓”，其后面還有一個重要的技術推手。 之前GaN技術商用進程中，一直有幾個困擾開發(fā)者和用戶的瓶頸，如成本、可靠性、產(chǎn)業(yè)鏈成熟度，以及應用開發(fā)經(jīng)驗等。因此可以看到，GaN器件過去一直是在圍著一些專業(yè)市場轉(zhuǎn)悠，而沒有找到更大量級的消費級市場的突破口。在過去兩年中，隨著采用GaN技術的新器件的推出，這種局面逐漸被打破了。 比如2019年8月，Power Integrations（以下簡稱PI公司）發(fā)布了采用其獨有PowiGaN氮化鎵開關技術的InnoSwitch3系列恒壓/恒流離線反激式開關電源IC。InnoSwitch3是PI引以為傲的針對高能效充電器市場的電源IC，由于在一個小型化的表面貼裝封裝內(nèi)集成了初級功率開關、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，InnoSwitch3憑借高集成、高效率、高可靠的優(yōu)勢受到市場的青睞。

圖2：集成了PowiGaN氮化鎵開關的InnoSwitch3系列電源IC（資料來源：PI）

在新發(fā)布的InnoSwitch3器件中，PI用GaN開關晶體管替換了IC初級的常規(guī)高壓硅晶體管，這可以降低電流流動期間的傳導損耗，并極大降低工作時的開關損耗，這讓大幅降低電源系統(tǒng)能耗、進一步提高效率、在更小的體積內(nèi)輸出更大的功率成為可能。根據(jù)PI提供的數(shù)據(jù)，基于PowiGaN的InnoSwitch3滿載效率在230 VAC下為95%，在115 VAC下為94%，這讓電源工程師完全可以在適配器設計中可省去散熱片——在密閉的適配器應用中，無需使用散熱片即可實現(xiàn)高達95%的效率及100 W的輸出功率。

圖3：基于PowiGaN的InnoSwitch3的高效率表現(xiàn)（資料來源：PI）

而且，以往GaN應用一個難點在于其超高的開關速度，非常難于驅(qū)動和保護，而PI將GaN開關與電源IC集成在一個封裝內(nèi)，簡化了客戶的設計，方便其能夠快速設計出電源產(chǎn)品。這對于充電頭這種快速迭代的消費電子市場是非常必要的。 也正是由于上述這種“高性能+易使用”的特點，PI這個基于GaN的InnoSwitch3產(chǎn)品一經(jīng)推出就收獲了不俗的商業(yè)成績——發(fā)布僅兩個月后出貨量就超過了100萬。有極客在拆解了OPPO Reno Ace原裝65W氮化鎵快充充電器后發(fā)現(xiàn)，其采用的就是PI的GaN芯片方案。

圖4：OPPO Reno Ace原裝65W氮化鎵快充充電器采用了PI的GaN芯片方案（圖源：網(wǎng)絡）

當然，這一切只是一個開始。GaN充電頭的先行者們，在收獲了豐厚的流量和曝光度之后，同樣會承受市場不確定性的風險以及用戶培育的成本。有行業(yè)分析師認為，2020年和2021年將是GaN充電頭市場起跑之年，也將是決定其市場接受度和發(fā)展后勢的關鍵之年。好在，電子圈的玩家們大多已經(jīng)深諳此道，既然選擇了此時進擊，一定會全力一搏。結果如何，讓我們拭目以待吧。