从PD快充、开关充电到协议芯片,快充产业链深度分析

2020-10-09 13:24:32浏览:1343 来源:芯闻路1号   
核心摘要:更短充电时间成为手机改进方向之一,快充能否成为风口,本期采访该领域的领先厂商。

随着5G时代的来临,手机对电量要求越来越高,这就导致了更强大的手机对电池的使用率越来越高,游戏和串流令手机使用也越来越多。手机厂商在尺寸、显示屏幕、拍照性能等方面锐意创新,功能和性能提升的同时,随之而来的是耗电提升,一天一次充电的通病难改,电池续航问题长期以来影响用户体验。增加电池容量不能彻底解决续航问题,更短充电时间成为手机改进方向之一。 

图注:安森美半导体产品营销经理Jefferay Lawton

 

iPhone12或取消标配电源适配器?配件厂商狂欢来临?

 

2019年,手机厂商如华为、小米、OPPO、VIVO纷纷开始标配大功率快充头,而相关的功率器件、主控、驱动、协议芯片,以及电源管理、甚至被动器件都开始相应的提出了新的要求。9月15日,苹果发布新款Apple Watch,从官网显示信息来看,新Apple Watch继续随附1米的磁力充电线,但包装盒中并未包括以前随附的5W电源适配器,这不禁让人联想到业界传言——即将到来的新iPhone也将取消标配的电源适配器。

苹果产品取消标配电源适配器或将给充电头行业带来巨大的机会。据研究公司Omdia的数据,2020年上半年苹果iPhone11全球智能手机的出货量估计为3770万部,比仅次于它的竞争对手多出2600万部。倘若新款iPhone取消标配的电源适配器,数千万的电源适配器需求将被释放到第三方电源适配器厂商。

安森美半导体产品营销经理Jefferay Lawton表示,快充市场正在飞速发展,由亚洲的手机制造商和第三方修配用零件市场厂商主导。该市场在2020年已经增长一倍以上。他预计标准手机充电器的功率将增加三倍或四倍,从15W到50或60W不等,有些手机的设计支持短时间内超过100W的功率充电。“在过去,第三方制造商主导了大功率充电器,尤其是通过提供具有多个USB输出的充电器。随着手机厂商发布5G赋能的手机,我们将看到他们提供更多的大功率充电器。”JefferayLawton表示。

根据成都矽力科技有限公司CEO易长根估计,充电器终端厂商国内大品牌的充电器厂商上百家,小型的厂商达到数千家,多数聚集在深圳。覆盖品牌厂商到代工工厂,而且产业链完整。从需求来看,消费类产品包括手机、平板、笔记本、小型家电都使用充电器,市场比较大。另外他认为,未来充电器产品的接口会朝向Type C靠拢。Type C是标准化的接口,体积小而且可以正反接驳,Type C搭载USB PD协议已经做到100W商业化产品中。

成都矽力科技有限公司CEO易长根认为,由于大功率快充具有许多优点,市场发展势不可挡,现在的大功率快充已经不只是提供电力怎么简单,用“智能快充”表示现在的大功率快充产品更为贴切——不仅是充电快,还具备智能化特性。

简单来说,就是同一个充电器具备为手机、平板、电脑等消费类终端充电的能力。比如,连接手机的时候,手机给充电器发送指令,两端“握手”之后,提供合理的功率、电压电流;同样的,连接平板或者笔记本电脑,也会根据指令提供相应的充电功率。这相当于一个充电器有数个接口,一个充电器适用不同终端设备。

 

图注:成都矽力CEO易长根

 

从PD快充、开关充电到协议芯片,快充芯片玩家盘点

 

大量的快充厂商需求也带动了快充芯片的蓬勃发展。苹果取消标配充电器背后有成本的考虑,可以说是既尴尬又明智的选择,整机成本下降的同时,还简化包装,更加环保。另一方面也反映出大功率快充的成本较高,导致终端产品价格偏高。成本的因素也是入局大功率快充市场的玩家不得不考虑的问题。

目前进入大功率快充市场的厂商很多,剑博微电子(深圳)有限公司业务经理林成文表示,在保证产品质量的前提下,要想脱颖而出,靠的是产品成本。不同厂商的大功率快充产品之间,厂商想方设法在产品兼容性、灵活性、易用性上下功夫,但最终还是要控制产品的成本,以获取让消费者可以接受、具有竞争力的价格。

 

图注:剑博微电子(深圳)有限公司业务经理林成文

 

除了价格之间,产品的兼容性也是影响消费者使用体验的关键,据透露,剑博微已经开发出兼容PD的、功率高达100W快充芯片,并已经流片生产,预计下半年会面市。

成都矽力科技有限公司2017年创立于美国硅谷圣何塞,2019年11月在中国成都正式成立,创始人均来自美国著名的半导体企业。公司专注于三方面的芯片研发销售:第一,定位高端智能电源管理芯片,填补国内空白,完美替代美国高端芯片为目标,打破美国市场垄断,破解贸易战中部分受限芯片。第二,定位低功耗的电源管理芯片,为各种便携电子产品提供更高可靠性,超长待机的芯片。第三,定位Type C、PD快充芯片,围绕PD快充,设计出PWM控制的AC-DC、同步整流SR、100%占空比的DC-DC、PD全兼容协议等一系列PD芯片。

据悉,矽力已经获得许多大客户认可,比如与小米和倍思的合作处于送样阶段,并成功进入主流充电器终端品牌的供应链。为拓展产品应用,其分公司伊凡微电子为客户提供技术支持和方案开发服务。

在手机厂商的广告攻势下,快充的概念已经广为人知。在功能手机时代,线性充电芯片可以满足800mA至1A电流充电需求,进入3G/4G时代,线性充电芯片转换效率低、温升高的弊端显现,开关充电逐步取代线性充电并成为主流。开关充电芯片逐步从手机扩展应用到TWS耳机、电子烟、录音笔等消费电子产品中。

 

图注:上海芯导电子科技有限公司总经理欧新华

 

上海芯导电子科技有限公司总经理欧新华介绍,芯导早于2016年就研制出开关充电芯片,效率达到92-95%,这正是快充的主要电源芯片。在大功率充电趋势的带动下,手机需要更大的充电电流,一个手机倾向于使用两三颗开关充电芯片,比如120W充电规格的手机就使用三颗开关充电芯片,每颗芯片承载40W电力。芯导也相应的产品集成充电协议,比如联发科快充协议PE1.0/2.0、高通的QC2.0。

据介绍,以充电电流对目前开关充电芯片进行划分的话,主流的充电芯片产品还是1.5A、2A、3A的产品,并且多数充电器厂商采用台湾芯片,1.5A产品区间内地供应商有一定的市场份额,1.5A、2A开关充电芯片已经做到1-2毛美金。

除了深耕电源领域的厂商,也有从其他领域延伸进入快充领域。以南京沁恒微电子的产品为例,它最早是做USB接口芯片起家,最后延伸到USB PC协议芯片。协议芯片主要分为充电芯片和受电芯片,产品呈现一个特点是单芯片可集成多种快充协议,以实现终端产品的高兼容性。典型的产品包括充电端的USB PD多快充协议芯片CH236,受电端的USB PD多快充协议芯片CH224;针对充电器采用多接口的趋势,沁恒微电子还推出双口(Type A和Type C)多协议芯片CH237。沁恒微表示,受电端的协议芯片可以让原本不支持PD协议的用电设备,比如音箱、电动工具等小型家电也能支持快充。同时,PD协议适用于无线充电,小尺寸的协议芯片有助于提升终端产品的集成度,比如沁恒微CH246,产品特点是支持PD、BC等多种协议、内置MOS全桥驱动器、无线收发电路、外围精简,从而降低终端产品的BOM。

作为一家成立6年的企业,英集芯从2015年到2019年的年复合增长率是151%,在移动电源行业全球市占率第一,市占率超过60%。除了移动电源芯片,英集芯的产品涵盖五大类:包括电源管理芯片、电池管理芯片、无线充SOC、PMU和接口芯片。从2015年发布第一颗量产芯片到今天,整体芯片出货量已经超过10亿颗。

在近日由中国半导体行业协会集成电路设计分会与芯原微电子(上海)股份有限公司主办的“第十届松山湖中国IC创新高峰论坛”上。英集芯科技有限公司市场总监彭峰登场介绍了其IP5388大功率快充芯片。

 

图注:英集芯科技有限公司市场总监彭峰

 

彭峰表示,IP5388是全球集成度最高的BUCK/BOOST快充芯片,内置升降压控制器/功率MOS/MCU/TypeC PD PHY等,该款芯片全球首款支持高通QC 5.0协议,同时覆盖各大手机品牌最新大功率快充协议。可广泛应用大功率移动电源、高密度GaN充电器、超级快充等领域。

据介绍,IP5388的整个BOM外围非常精简,除了一些电阻电容,只有一些路径的隔离切换。同时内置各种快充协议。由于内置了MCU,可以进行无缝的迭代升级。同时还支持一些个性化的扩展,比如有些客户会出于个性化需求自己进行开发,一些自己特有的功能。

彭峰表示,这个双向的BUCK/BOOST快充芯片在大陆量产不超过三家,英集芯是其中一家。快充协议芯片供应商包括赛普拉斯、慧能泰、天钰、英集芯、智融、南芯、优微、伟诠等厂商。英集芯的快充协议IC在国内已经排到第一,并与小米、OPPO三星Vivo等多家手机品牌充电器合作。彭峰表示希望未来再花一年时间能成为全球第一。

设计快充芯片离不开周边的各种分立器件。安森美半导体产品营销经理Jefferay Lawton表示,安森美半导体为大功率快速充电提供所有主要集成组件,包括功率因数校正(PFC)控制器、脉宽调制(PWM)控制器、同步整流驱动器、USB PD充电控制器、光电耦合器和MOSFET。其最新的方案包括NCP1622 PFC控制器、NCP1342准谐振反激控制器、NCP1568有源钳位反激控制器、FUSB3307 USB PD 3.0充电控制器以及NCP4306 同步整流驱动器。安森美半导体也是少数几家提供从二极管到复杂的谐振PWM控制器的供应商之一,这些产品用于适配器设计。

 

技术趋势:PD协议会一统江湖吗?

 

从技术角度来看,终端产品更新换代,芯片供应商和制造商要做的是将芯片做减法,减少外围,让终端客户更好更快地将芯片集成到终端里。充电器相关元器件,包括整流、驱动、MOS等,也会随着大功率快充普及不断技术迭代。易长根认为,100W、120W对于消费类充电器来说足够大,能满足笔记本电脑和小型家电的电力需求,再追求更大功率意义不大。

在被问及大功率快充会不会经历山寨手机的发展轨迹,易长根表示山寨手机作为整机产品,有成熟的方案,一个方案换个外壳并贴上不同品牌就可以卖出去,甚至出现公版公模的方案,产品同质化特征明显,下游厂商更多扮演的是做组装的角色。

不同的是,大功率快充要求厂商具备芯片和产品研发能力,需要数年的技术沉淀。即便使用相同元器件,不同产品的品质差异还是存在,可以看到目前同样是20W功能的规格,不同产品的价格跨度较大。因此,大功率快充厂商采取的产品策略不尽相同,这点不能与山寨手机类比。

安森美半导体产品营销经理Jefferay Lawton认为,往大功率充电发展的过程中,可能会面临一些技术挑战。主要是有效管理电源转换的能力和提高功率密度。目前的充电器可能在15W左右,跳到45W或100W意味着输送功率的3倍到7倍。消费者不希望看到他们的充电器尺寸增加7倍!能够提高能效和功率密度意味着它们能够在不增加充电器尺寸的情况下提供更高的功率水平,因此受益最大。这可以通过更高开关频率和更高集成度的更高能效电源转换拓扑来实现,例如高频准谐振反激式和主动钳位反激式。他表示,安森美半导体是唯一一家在这一市场空间提供这两种拓扑方案的半导体公司。

此外,大功率快充行业存在多种快速充电协议,包括USB-PD、高通QC、OPPO VOOC、华为SCP/FCP、联发科PE等。过去苹果将手机的电流提高到1A和平板电脑的电流提高到2.4A,三星将电流提高到2A,均以5V供电。后来高通QC 2.0和QC 3.0高压充电与Oppo的VOOC大电流充电竞争,然而VOOC需要专有线缆,成本较高。由于高通没有向所有人开放他们的标准,因此三星创造了自己的自适应快速充电(AFC),华为创造了他们的快速充电协议(FCP)和超级充电(SCP)。后三个协议AFC、FCP和SCP都是在安森美半导体的帮助下创建的,这些协议都是在传统的标准A和Micro-B连接器上。

其中USB PD(全称USB-Power Delivery)是目前主流快充协议之一,可用于数据传输和大功率充电放电,多数快充产品兼容该项协议。支持PD的接口主要为TypeC,但不是全部TypeC接口都支持PD充电协议。USB PD协议不仅用于手机充电,还可以用于移动电源为笔记本电脑供电;连接PC显示器与主机。

那么,USB PD会否统一快充标准?

安森美半导体产品营销经理Jefferay Lawton认为答案是肯定的。随着USB PD在USB-C连接器上实现标准化,它提供了一个融合的开放标准,不仅允许为手机,还允许为笔记本电脑和平板电脑进行高压充电。OEM厂商仍然可以通过PD通信协议栈中的厂商定义信息(VDM)实现产品的差异化。高通、苹果和三星纷纷加入,所以趋同在USBPD的趋势。

然而Oppo、小米、Vivo仍在推行他们的专有标准,时间会证明他们是否也被USB-C/USB-PD的合规性就范而采用带有VDM的USB PD。安森美半导体通过PD可编程电源(PPS)产品促进了这一趋向USB PD 3.0的趋势,PD PPS产品针对不同的功率电平和功能进行了优化,以服务于前面提到的整个快充谱系的产品。

 

成本太贵,GaN快充何时能普及?

 

随着芯片厂商的技术逐步成熟、制造能力提升、价格降低等,再次打开了GaN功率器件面向消费用户的大门,智能终端设备的需求是GaN(氮化镓)功率器件普及的主要因素。

目前以GaN(氮化镓)大功率充电为卖点的手机不在少数,GaN比传统硅(Si)半导体材料具有更佳特性,已被用于制造晶体管、放大器和二极管等元器件,特别是在功率器件领域,GaN可实现更小尺寸和更高效率的充电器。

GaN比硅的禁带宽度大3倍,击穿场强高10倍,饱和电子迁移速度大3倍,热导率高2倍。这些性能提升带来的优势是GaN比硅更适合做大功率高频的功率器件,同时体积还更小,功率密度更大。GaN器件具有极高的开关速度、同一晶圆下的小通态电阻,让更高效能和更高开关频率快速充电成为可能。

引入GaN技术给大功率快充市场注入一针催化剂,加速更新迭代速度,同时也将沉寂了近十年的消费类电源市场彻底激活。

根据数据统计,在以电商客户为主的充电器市场,2019年GaN功率器件出货量约为300万-400万颗,随着手机以及笔记本电脑渗透率进一步提升,2020年将实现5-6倍增长,总体出货1500-2000万颗,2021年GaN器件的出货量有望达到5000万颗。

GaN快充固然可以减少体积,剑博微电子(深圳)有限公司业务经理林成文认为,目前充电器的体积并不是影响消费者购买快充产品的决定因素,其更关心的是价格。林成文表示,GaN材料在大功率快充领域并不是必选项,降低价格才能真正打开市场格局,预计最终主流的大功率快充的价格将降低到百元以内。

不过,GaN功率器件价格偏贵,GaN场效应晶体管是大功率快速充电方案中最昂贵的组件,可占成本的15%至25%。林成文表示,作为GaN的MOSFET可提高大功率密度充电器所需的更好能效和更高开关频率。随着大功率充电器成为标准,将看到GaN功率器件的价格下降。目前,预计GaN不会完全取代Si MOSFET,因为仍有低端手机和其他产品需要较低成本的盒装充电器配件方案。此外,还有许多其他较低功率应用不需要GaN的性能。

目前专门采用GaN功率器件主要有三个供应商:英诺赛科、纳微半导体、PI。随着GaN快充逐渐成为主流,PI率先推出了PowiGaN技术,并基于PowiGaN技术开发了5个系列的芯片产品,包括InnoSwitch3-CP、EP、Pro、MX和LYTSwitch-6,完善电源芯片家族。

纳微(Navitas)的GaN功率IC受市场青睐的程度并不亚于PI,据不完全统计,纳微GaN Fast功率IC已经广泛的运用于OPPO 50W饼干GaN快充、RAVPOWER 65W 1A1C GaN快充充电器、小米65W USB PDGaN充电器、SlimQ 65WGaNUSB PD快充充电器1A1C、Anker PowerCore Fusion PD超极充、RAVPower 45W GaN PD充电器、倍思65WGaN充电器、ROxANNE 66W GaN USB PD双口快充充电器等。其中,baseus倍思在7月率先推出的120W、2C1A的GaN(GaN)+碳化硅(SiC)充电器,用的也是纳微NV6127芯片。

英诺赛科是唯一上榜的国产硅基GaN厂商。目前在珠海和苏州建有2个8英寸硅基GaN芯片研发生产基地,产品线覆盖40V-650V的全系列GaN芯片。目前英诺赛科INN650D02应用于魅族、Lapo、洛克的65W快充产品上。

除了上述三个供应商,小米、华为、三星、OPPO和苹果等公司都在GaN技术方面拥有积累,势必会在这条道路上走得更远,GaN快充市场容量有望迅速扩大,电商、第三方电源适配器厂商已经进入该领域,使得该领域出现群雄竞逐的态势,未来会是寡头垄断,还是百花齐放;是手机厂商主导,还是电商、电源适配器厂商引领,我们拭目以待。

(责任编辑:小编)
下一篇:

改善动态环路响应

上一篇:

圣邦微电子新推5A快速充电器SGM41510,快充江湖再添勇将

  • 分享到
免责声明
• 
本文仅代表作者个人观点,本站未对其内容进行核实,请读者仅做参考,如若文中涉及有违公德、触犯法律的内容,一经发现,立即删除,作者需自行承担相应责任。涉及到版权或其他问题,请及时联系我们