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智能快充未來4年爭鳴 預需600億顆磁性元器件
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智能快充未來4年爭鳴 預需600億顆磁性元器件

2021-12-08 16:18:45 來源:電子變壓器與電感網 作者:卞婭琪 點擊:1322

【嗶哥嗶特導讀】氮化鎵帶來的穩定性、小型化等方面的優勢,成為未來5-10年智能快充重要的技術方向,平面變壓器憑借高功率密度以及一致性好等諸多優勢,在氮化鎵的商用鋪開下,漸成香餑餑……

近年來,在手機電池技術停滯不前的情況下,智能手機充電功率逐年提升,量產標配成勢。

在過去,智能手機充電功率延續多年僅為5W左右,直到2019年,手機充電功率已經提升到了65W;2020年,提升到了100W以上;2021年,部分機型甚至直接翻倍提升至200W。

輕薄、超大電池容量、超級快的充電速度,三者在手機與智能快充的設計和應用中,本身就存在較大矛盾。如今,智能手機廠商已基本達成默認共識,取舍已是必然。

充電功率的提升,充電標準的設定,用戶端只是感受到字面數據的跳動,看不到產業背后的技術權衡與產業爭鳴。

作為行業風向標的蘋果公司,秋季新品推出的適配16寸MacBook Pro的140W USB-C充電器,支持USB PD3.1快充標準,同時還采用了氮化鎵技術,這對于蘋果公司來說,至少這兩點都是新的……

2025年全球智能快充將有22.36億臺出貨量

大比特產業研究室整理數據顯示,快速充電器是智能快充領域非常重要的產品,2020年全球智能快充消費電子出貨21.34億臺,其中智能手機、PC(平板電腦)、穿戴設備這些領域用量占據80%的比例。

智能快充未來4年爭鳴 預需600億顆磁性元器件

目前有一部分消費電子不在配有充電器,以平均兩臺消費電子配有一個智能快充保守計算,2021年全球消費電子智能快充出貨量約為14.59億臺。

考慮到智能快充這幾年處于爆發期,以及未來更多的應用場景智能化需求,在2021年消費電子9%-10%的增長率的基礎上,大比特產業研究室預測,未來四年智能快充將有10%-12%增長率,預計到2025年全球智能快充將有22.36億臺出貨量。

 

智能快充未來4年爭鳴 預需600億顆磁性元器件

數據來源于:大比特產業研究室

技術爭鳴趨于統一&統一中夾雜著隔閡

在近幾年的智能快充趨勢中,我們可以看到,智能快充已經全面進入USB PD快充時代,USB PD的全名叫做USB Power Delivery Specification,是USB-IF標準化組織推出的一個快速充電的標準。蘋果公司早在iPhone11發布之后,后續系列產品均全面進入了USB PD快充時代。在USB PD快充應用潮下,氮化鎵技術也在近年逐漸融入到智能快充的產業爭鳴中……

氮化鎵高頻特性帶來的優勢不僅僅是性能上的收益,也有效減小周圍感性器件、容性器件的體積或使用數量。

因此,不論是智能手機、數據中心、5G或是電動汽車等,對功率器件同樣要求更小尺寸、更大功率、更低損耗的低壓氮化鎵應用,將成為未來氮化鎵主要的增長市場。

新技術革新周期越來越短,任何一家科技公司都有可能推出顛覆行業的新產品、新技術。但頭部玩家認可與參與的風向標是技術走向普及的重要環節。

10月19日凌晨1點,蘋果召開了第二場秋季新品發布會,16寸MacBook Pro標配了全新140W USB-C充電器,不僅支持USB PD3.1快充標準,還向媒體證實了該充電器應用了氮化鎵技術,成為蘋果旗下首款氮化鎵快充充電器,一舉刷新了USB PD充電器單口輸出最高功率。

智能快充未來4年爭鳴 預需600億顆磁性元器件

140W USB-C充電器是蘋果專門為MacBook Pro 2021開發的一款全新電源配件,可以為16寸MacBook Pro筆記本實現高達140W的充電功率,同時也可以使用C to C線纜為其他筆記本進行100W PD快速充電。

蘋果公司雖然并非首家將氮化鎵技術應用到智能快充的公司,但此番在PD快充上應用氮化鎵技術,無疑是氮化鎵快充發展的一大里程碑。

除蘋果公司以外,聯想、華碩、戴爾、小米、華為、OPPO、努比亞、魅族等全球多家知名筆電、手機廠商都已普及應用氮化鎵快充,其可靠性、性能已通過市場得到充分驗證。

航嘉馳源銷售部客戶總監廖光峰從事智能快充行業多年,尤為關注該市場的技術變遷。他反應,當下PD智能快充功率越做越大,基本上國內幾個手機大廠,每一年推出新的智能快充產品,功率都比上一代要大一些。“不過當前遇到最大的瓶頸并非技術層面,而是由國外掌控的某項協議限定智能快充最大功率不能超過100W,本身PD智能快充輸出口支持最大功率就100W,想做超過100W還要做一些定制化處理。”

顯然,在PD3.1版本下,此類產品已超過100W,隨之而來的新的標準區隔也產生。

去年小米10推出至尊紀念版,標配的智能快充為120W超級快充,該產品生產廠商正是航嘉馳源,就是做了定制化處理。“本身它的USB輸出線就跟普通的線就不一樣,對整個協議也做了一些私有化的處理,所以現在最大的瓶頸倒不是技術上,協議本身就已經限制了,可能標準下一步會更新。”廖光峰說。

天音電子的電源設計應用工程師譚庭盛表示,現在市面上常規的快充協議有PD3.0 PPS、QC4+、QC 3+,國產芯片與聯發科協議并不兼容,在用國產芯片研發快充產品時,常常會出現芯片和快充協議不兼容的問題,這也是一直在困擾著行業工程師的難題,不管是QC或者是國內其他芯片廠采用的都是是電壓快充協議,而聯發科快充協議則是電流快充協議,所以國產芯片無法兼容。

航嘉馳源研發部總經理葉貴榮表示,此前他們研發大功率類產品時,主要面臨的是智能快充體積過大的問題,需要讓體積盡可能的小。為此他們采用氮化鎵結合平面變壓器技術,已經將這一問題解決了。葉貴榮認為,站在消費者的視角看,目前行業最大的問題是廠商之間協議不相通,即不兼容的問題比較突出。

深圳市耐爾金科技有限公司研發部產品經理陳金源說:“雖然目前消費者都在使用PD智能快充,但是它的功率不一樣,且智能快充行業的協議標準沒有得到統一,整體生態無法串聯起來。”

無錫硅動力微電子有限公司副總經理陳瀏陽告訴記者,今年新發布的USB PD3.1的版本,主要為將智能快充傳輸功率從100W升級到240W,他認為,隨著智能快充功率密度升級將會兼容更多的終端設備,諸如手機、筆記本、顯示器等數碼設備。盡管在使用氮化鎵方面并非率先推向市場,但蘋果是最早使用新USB PD3.1標準的公司之一。蘋果140W氮化鎵快充的出現,算是開啟了USB PD3.1快充時代的大門,因此受到很多人的關注。

作為全球首款支持USB PD3.1快充的充電器,其推出的意義是不言而喻的,在蘋果的影響下,更多的廠商會快速跟進,屆時一系列支持新快充標準的筆電、充電器、數據線等配件也會如雨后春筍般紛紛冒出。

智能快充未來4年爭鳴 預需600億顆磁性元器件

氮化鎵應用給磁性元器件帶來增量

標準的爭鳴是大廠之間博弈的必然過程,更多生產智能快充的企業只能是標準的服從者,但氮化鎵技術與相應技術變革,行業既定風向明顯,由此帶來智能快充內部結構件也在發生著變化,對于磁性元器件行業會有哪些改變?

大功率充電器體積都較大,即便是蘋果公司產品也不例外,如果按傳統用硅器件的做法,那么140W的充電器將會比現在蘋果最大的充電器體積大一半,非常不便于攜帶,大大影響了用戶體驗。越大功率的充電器體積也越大,容納內部的功率元件和電容器件也越多。

使用氮化鎵之后,低導阻和低開關損耗等特性,提高了充電器的轉換效率,從而降低充電器內部的散熱需求,還可以支持更高的開關頻率,同時通過降低散熱需求,進而減小充電器磁性元器件體積,最終實現減小了充電器的體積和重量。

海光電子總工歐陽順昌說,智能快充一般需要一個主電子變壓器,并根據設計方案增加一兩個普通的電感器。最主要的是選材上會使用高頻材料來滿足快充功率高,充電速度快的要求。在結構方面,快充所需的磁芯是具有特殊結構的,需要根據客戶的需求制定不同的結構。

奧??萍佳邪l副總郭修根說,充電速度加快,意味著快充功率加大,一個傳統的做法就是把開關頻率加大,對電子變壓器、磁性材料的要求就提高了,需要用到一些高頻的磁性材料。此外,要做到更高的功率密度,需要降低電子變壓器磁芯的損耗,磁性元器件會往高頻化、低損耗方向發展。

除性能指標的變化之外,另據大比特產業研究室調研整理發現,隨著氮化鎵智能快充的應用,其內部所需磁性元器件數量、產品選型也在發生著變化。

智能快充未來4年爭鳴 預需600億顆磁性元器件

從表格中可看到,普通快充與氮化鎵快充,在磁性元器件的使用量上,并無太大差異,不過,在大功率充電器中,會相應的增加磁性元器件數量,尤其會增加PFC升壓電感。

智能快充未來4年爭鳴 預需600億顆磁性元器件

用于智能快充的PFC升壓電感特寫

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用于智能快充的降壓電感特寫

另據統計,目前65W氮化鎵智能快充占據氮化鎵品類的智能快充約65%的市場比例,成為市場主導,根據快速充電器出貨量計算可知,2021年全球消費電子快速充電器磁性元器件需求量約達到96.31億顆。

制約行業向上發展的客觀因素比比皆是,深圳市航嘉馳源電氣股份有限公司研發部總經理葉貴榮說,目前智能快充上游廠家都可能面臨半導體芯片短缺,以及原材料漲價等問題,供需矛盾較為嚴重。

但這對于PD智能快充其實也并非完全是壞事。大比特產業研究室調研,在芯片短缺的情況下,其中PD智能快充是芯片企業優先關注的領域,芯片短缺也將加速大功率(65W及以上)快速充電器的市場滲透率,大比特產業研究室預測,2025年大功率快速充電將達到97%的市場滲透率,同時大幅度提升磁性元器件需求,攀升至176.2億顆。未來4年,預需582.92億顆磁性元器件。

智能快充未來4年爭鳴 預需600億顆磁性元器件

數據來源于:大比特產業研究室

柔性磁電研發經理余自晶表示,“目前65W的智能快充已基本能夠滿足消費者的需求,但是我覺得快充未來還是會一直追求更高的功率,以適應消費者特殊場景中的應用,比如出差時,只有短暫的充電時間,這就需要更高充電功率的智能快充,在更短的時間完成充電。”

TrendForce集邦咨詢數據顯示,2020年氮化鎵快充市場以55W-65W為主流功率段,約占氮化鎵元件銷售市占率72%,其中又以65W為主流。而百瓦級大功率產品,2020年市占率僅約8%。在百瓦級大功率快充產品領域內,氮化鎵技術市場滲透率已高達62%。

平面變壓器地位支棱起來了

在新的技術應用潮流下,我們發現,平面變壓器已成為智能快充不可或缺的重要“搭檔”了,尤其是65W及以上功率段的產品。

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用于蘋果智能快充的平面變壓器,由勝美達生產

在追逐大功率,小體積,高效率過程中,平面變壓器是業內一直在嘗試使用的一種新型高頻鐵氧體電感元件。由于平面變壓器造型方正,適合于平面貼裝,方便設計,并可使各類型電子產品實現輕薄小型化。

與常規的電子變壓器相比,平面變壓器除了結構體積上的優勢之外,還具有電流密度高、效率高、漏感低、發熱量小、散熱性好等優點,許多企業其實早有成型產品推出。

直到氮化鎵智能快充推出,似乎才煥發第二春,使得平面變壓器得以大規模商用,市面上出現了兩種應用類型,分別是:單純PCB+磁芯組合;PCB+磁芯+同步整流電路的組合。

普通快速充電器與氮化鎵充電器里面的磁性元器件數量基本相同的,最大的區別在于氮化鎵充電器因為體積更小、功能性更強等原因,目前市場基本傾向于使用平面電子變壓器。

嘉裕電子副總唐高登表示,對磁性元器件廠商來說,傳統變壓器產線所需人力比較多,平面變壓器因其自動化程度高,產能彈性更為靈活,能更好地適應市場的需要,也推動了企業從傳統變壓器向平面變壓器發展。

在對多款氮化鎵智能快充實際拆解過程中,也能發現事實如此,如市場上OPPO、小米、華為生產的氮化鎵充電器都搭配的是平面變壓器。

華為推出的65W雙口氮化鎵快充充電器、66W多口氮化鎵超級快充充電器、66W氮化鎵超薄充電器等多款充電器產品,其充電器內部布局都相對比較緊湊,均應用了高集成的平面變壓器,最大限度的壓縮了體積。

聯想thinkplus 65W氮化鎵口紅電源Pro,充電器內部設計布局有序緊湊,同樣額外設計兩塊PCB板以及使用平面變壓器減小體積,平面變壓器還接地線處理。

小米65W 1A1C氮化鎵快充充電器,充電器內部設有多塊PCB板,平面變壓器小板橫貫初次級;小米120W氮化鎵快充充電器內部電源模塊基于PFC+QR架構開發,為了實現緊湊、小體積的設計,充電器的內部元器件排布非常密集,同樣應用了集成度更高的平面變壓器。

類似將平面變壓器用到氮化鎵快充的產品還有很多,不勝枚舉。

目前PD智能快充已漸趨成為市場主流產品,通過行業人士對不同品牌的產品網羅拆解,結合大比特產業研究室調研整理,我們還可以觀察發現,目前在主流的PD智能快充中,主流的功率段基本為65W。未來更大功率段的智能快充產品可能還會不斷涌現,但在較長一段時間內,65W智能快充,顯然已成為標配趨勢。

磁企高標準生產平面變壓器

隨著氮化鎵智能快充的普及,由此產生應用變化的控制芯片、平面變壓器、電容等研發、制造生態鏈也將逐漸趨于完善。目前,國內許多磁性元器件廠商,重點開發平面變壓器,收效甚佳。

經緯達科技研發總監汪洪偉說,他們整合了優質供應商,在平面變壓器磁芯技術方面,與東磁、安磁、西磁等國內知名磁性材料廠商合作。并采用CCTC超聲印制板,為產品質量提供保障。

在生產方面,經緯達平面變壓器生產過程可實現全自動化。他們鋪設5條全自動化生產線,月產量將達到5KK只,滿足平面變壓器生產需求,大幅提高產品一致性和產品品質。自動化產線根據具體生產工序分為四個模塊,每個模塊僅需一名操作員,有效降低了生產成本。

據了解,經緯達平面變壓器產品運用廣泛,產品面向華為、OPPO、VIVO等多家知名客戶。汪洪偉說,除了手機快充外,他們這款產品還可應用于電視機、防水電源、LED顯示屏、醫療電源、新能源汽車、電腦電源,以及各類電器終端產品上。

柔性磁電公司的生產線可用于開發不同類型的平面變壓器產品,涵蓋不同的應用領域。其自主研發的無人化平面變壓器生產線將物聯網、電氣自動化、機械自動化等多項技術融合在一起,形成跨平臺的自動化生產系統,大大提高了平面變壓器的生產效率和產品性能的一致性?;谌碌臒o人化變壓器生產線,他們推出了多款平面變壓器,涵蓋20-150W應用。

奧??萍脊薷?ldquo;氮化鎵的優勢在于其可讓智能快充更高效率、體積更小,符合當前追求小型化的行業趨勢,高階的產品基本會開始采用氮化鎵。與之而來的是成本的提升,氮化鎵的成本較高,可能比傳統的硅器件貴3-5倍。”

歐陸通工程師林工表示,氮化鎵的優缺點都很明顯,缺點方面,在輻射傳導、EMI方面的技術要求更高,這也是導致目前氮化鎵充電器的成本更高的部分原因。

市場有需求,廠家有響應,奧??萍家膊焕?,今年他們也相繼推出幾款氮化鎵快充。郭修根表示,氮化鎵確有優勢,但市場潛力還有待考察,拭目以待。據悉,奧??萍夹碌闹悄芸斐渖a線建設項目,將在今年2021年12月31日前投入使用。

尚品科技副總王以儉同樣表示,氮化鎵在智能快充領域是一個相對比較新的東西,且價格比較高,所以許多中小型企業還是處在觀望的過程中。尚品科技相對還是比較認可該技術在消費端的應用,近幾年來技術工藝更加成熟,生產量也在逐步提升,性能上也有了突破,很符合消費者對快充體積小型化追求。他們與氮化鎵廠商共同合作開發,從源頭做產品原創設計,已成功開發幾款產品,正在推向市場。

久利科技(蘇州)有限公司開發部經理李永紅認為,未來,智能快充的發展重點還是集中在功率的提升,提升性價比。從磁性元器件廠商在這一領域,未來的發展方向主要是新型材料、新技術和新工藝的應用,如選擇一些高頻低功耗的磁性材料,大量應用平面和PCB變壓器的制作工藝,即平面變壓器,在同等或更小體積下,實現更高功率,提升產品性價比。“目前華為系是國內快充領域具有前瞻性和技術標桿的廠商之一,我們也會按照行業最優秀的快充廠商的標準來要求自己。”

據王以儉介紹,尚品科技平面變壓器采取包裹式的結構, PCB體積是非常小,而PCB以往成本比較高,縮小體積之后,也提高其性能,使得磁性元器件總體成本降低,性價比更高。“此外,平面變壓器更適應自動化潮流,原本需要用十幾個人繞線,現在只需要用一塊PCB就能組合完成,不僅能降低人工成本方面的壓力,也能保證產品的一致性。目前我們公司已經設計出了一條全自動化的產線。”

目前,平面變壓器已在消費電子、汽車電子、醫療設備、工業控制等多種領域引起重視及,并實現小規模應用。

總結

無論國內品牌,亦或海外品牌,幾乎一線的手機、筆電廠家都相繼推出了氮化鎵智能快充,撇開成本制約全面量產的弊端,氮化鎵帶來的穩定性、小型化等方面的優勢,足以證明這一快充技術的應用將成未來5-10年重要的技術方向。

向來是消費類電子產品的風向標的蘋果公司,今秋推出的140W氮化鎵智能快充充電器,也勢必一堆第三方電源廠商加碼跟風布局,推動未來智能快充更新換代,也助推氮化鎵技術在消費類電源市場勢進入發展快軌。

眼下,65W智能快充成標配基本成為趨勢,隨著USB PD3.1快充標準的發布,以及USB PD3.1快充充電器量產,未來的氮化鎵智能快充也將不再局限于65W,更高功率段的氮化鎵智能快充市場也將緩緩打開。

智能快充未來4年爭鳴 預需600億顆磁性元器件

通過國內電源資訊平臺和技術人員的拆解圖可以看出,在現有的國產氮化鎵智能快充產品中,核心的氮化鎵功率器件、控制器,主要以進口品牌為主,而電感器、平面變壓器已基本實現國產化,證明國產磁性元器件已基本深入到氮化鎵智能快充市場。隨著該市場的深入、是已布局的磁性元器件廠商提升市場占比,還是更多有平面變壓器等產品技術的企業進場分羹,我們拭目以待。

整體來看,近兩年來全球氮化鎵快充充電器出貨量已經突破了數千萬只,并且得到消費者的廣泛關注與認可。相信在未來的市場中,氮化鎵技術及氮化鎵智能快充的發展將會變得更加迅速,氮化鎵也將從智能快充市場出發,在手機、平板電腦、筆記本電腦站穩腳跟后,逐漸向家電、新能源汽車、電動工具、IoT設備等市場邁進,為更多的行業發揮價值。平面變壓器憑借高功率密度以及一致性好等諸多優勢,提高能效,減小體積,實現更具競爭力的設計,不僅在智能快充得以揮毫舞墨,新能源等領域也將有更多可能……

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