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(jī)。不過發(fā)布會(huì)上，一個(gè)配角卻很搶鏡，這就是華為同步推出的基于GaN（氮化鎵）技術(shù)的超級(jí)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(fèi)電子市場，華為一直扮演著領(lǐng)跑者的角色，但是這次在GaN充電頭上卻落后了，因?yàn)樵缭?月，小米就伴隨新機(jī)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(shí)，其標(biāo)配就是一款65W超級(jí)閃充GaN充電頭，由此OPPO也宣稱自己是全球首家在手機(jī)充電器中導(dǎo)入GaN技術(shù)的手機(jī)廠商。

實(shí)際上，充電器配件廠商試水GaN的行動(dòng)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(jī)頭部OEM的積極跟進(jìn)——據(jù)說蘋果今年也會(huì)推出GaN快充產(chǎn)品——向人們傳遞出一個(gè)強(qiáng)烈的信號(hào)：GaN充電頭真的要火了！ 根據(jù)中信證券的市場分析，預(yù)計(jì)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(fù)合增長率高達(dá)94%。

熱點(diǎn)的誕生

GaN作為第三代半導(dǎo)體材料，與傳統(tǒng)主流的硅材料相比，禁帶寬度大、導(dǎo)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(guān)速度更快；而且GaN器件導(dǎo)通電阻小，能效更高。這些優(yōu)異的特性，讓人們對(duì)其給予了厚望。 基于GaN上述的性能優(yōu)勢(shì)，射頻和電源一直被認(rèn)為是GaN大規(guī)模商用的兩個(gè)主攻方向。這兩年5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)無疑是GaN在射頻領(lǐng)域中一個(gè)重大機(jī)遇，根據(jù)Yole的預(yù)測(cè)，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(yīng)用的主流技術(shù)。不過從2019年開始，GaN器件的市場成長動(dòng)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(yù)測(cè)，2019年GaN電源目標(biāo)市場約為9000萬美元，2021年將達(dá)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(gè)貢獻(xiàn)最大的“爆品”。

圖1：GaN器件的主要應(yīng)用市場增長及規(guī)模（資料來源：Yole）

從技術(shù)角度分析，采用GaN技術(shù)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(shí)，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（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(shù)望塵莫及的。而且在“電池焦慮癥”廣為流行的今天，GaN技術(shù)正好可以與USB PD等快充技術(shù)相輔相成，讓用戶體驗(yàn)上一個(gè)新臺(tái)階。因此，GaN充電頭成為一個(gè)普遍“叫好”的市場新熱點(diǎn)，也就順理成章了。

技術(shù)的推力

當(dāng)然，之所以GaN能夠在這兩年逐漸滲透進(jìn)充電頭這個(gè)“紅?！笔袌觯隙ㄒ膊皇恰鞍酝跤采瞎?，其后面還有一個(gè)重要的技術(shù)推手。 之前GaN技術(shù)商用進(jìn)程中，一直有幾個(gè)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(yīng)用開發(fā)經(jīng)驗(yàn)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(jí)的消費(fèi)級(jí)市場的突破口。在過去兩年中，隨著采用GaN技術(shù)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(dú)有PowiGaN氮化鎵開關(guān)技術(shù)的InnoSwitch3系列恒壓/恒流離線反激式開關(guān)電源IC。InnoSwitch3是PI引以為傲的針對(duì)高能效充電器市場的電源IC，由于在一個(gè)小型化的表面貼裝封裝內(nèi)集成了初級(jí)功率開關(guān)、初級(jí)和次級(jí)控制電路，以及其間相鏈接的安全隔離型高速鏈路（FluxLink），同時(shí)集成了次級(jí)SR驅(qū)動(dòng)器和反饋電路，InnoSwitch3憑借高集成、高效率、高可靠的優(yōu)勢(shì)受到市場的青睞。

圖2：集成了PowiGaN氮化鎵開關(guān)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(guān)晶體管替換了IC初級(jí)的常規(guī)高壓硅晶體管，這可以降低電流流動(dòng)期間的傳導(dǎo)損耗，并極大降低工作時(shí)的開關(guān)損耗，這讓大幅降低電源系統(tǒng)能耗、進(jìn)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(shè)計(jì)中可省去散熱片——在密閉的適配器應(yīng)用中，無需使用散熱片即可實(shí)現(xiàn)高達(dá)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(yīng)用一個(gè)難點(diǎn)在于其超高的開關(guān)速度，非常難于驅(qū)動(dòng)和保護(hù)，而PI將GaN開關(guān)與電源IC集成在一個(gè)封裝內(nèi)，簡化了客戶的設(shè)計(jì)，方便其能夠快速設(shè)計(jì)出電源產(chǎn)品。這對(duì)于充電頭這種快速迭代的消費(fèi)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(diǎn)，PI這個(gè)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(gè)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(luò)）

當(dāng)然，這一切只是一個(gè)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(huì)承受市場不確定性的風(fēng)險(xiǎn)以及用戶培育的成本。有行業(yè)分析師認(rèn)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(shì)的關(guān)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(shí)進(jìn)擊，一定會(huì)全力一搏。結(jié)果如何，讓我們拭目以待吧。