從PD快充、開關充電到協議芯片，快充產業鏈深度分析

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2022-03-17 09:12:29 6

隨著5G時代的來臨，手機對電量要求越來越高，這就導致了更強大的手機對電池的使用率越來越高，游戲和串流令手機使用也越來越多。

手機廠商在尺寸、顯示屏幕、拍照性能等方面銳意創新，功能和性能提升的同時，隨之而來的是耗電提升，一天一次充電的通病難改，電池續航問題長期以來影響用戶體驗。增加電池容量不能徹底解決續航問題，更短充電時間成為手機改進方向之一。

圖注：安森美半導體產品營銷經理Jefferay Lawton

iPhone12或取消標配電源適配器？配件廠商狂歡來臨？

2019年，手機廠商如華為、小米、OPPO、VIVO紛紛開始標配大功率快充頭，而相關的功率器件、主控、驅動、協議芯片，以及電源管理、甚至被動器件都開始相應的提出了新的要求。9月15日，蘋果發布新款Apple Watch，從官網顯示信息來看，新Apple Watch繼續隨附1米的磁力充電線，但包裝盒中并未包括以前隨附的5W電源適配器，這不禁讓人聯想到業界傳言——即將到來的新iPhone也將取消標配的電源適配器。

蘋果產品取消標配電源適配器或將給充電頭行業帶來巨大的機會。據研究公司Omdia的數據，2020年上半年蘋果iPhone11全球智能手機的出貨量估計為3770萬部，比僅次于它的競爭對手多出2600萬部。倘若新款iPhone取消標配的電源適配器，數千萬的電源適配器需求將被釋放到第三方電源適配器廠商。

安森美半導體產品營銷經理Jefferay Lawton表示，快充市場正在飛速發展，由亞洲的手機制造商和第三方修配用零件市場廠商主導。該市場在2020年已經增長一倍以上。他預計標準手機充電器的功率將增加三倍或四倍，從15W到50或60W不等，有些手機的設計支持短時間內超過100W的功率充電。“在過去，第三方制造商主導了大功率充電器，尤其是通過提供具有多個USB輸出的充電器。隨著手機廠商發布5G賦能的手機，我們將看到他們提供更多的大功率充電器。”Jefferay Lawton表示。

根據成都矽力科技有限公司CEO易長根估計，充電器終端廠商國內*的充電器廠商上百家，小型的廠商達到數千家，多數聚集在深圳。覆蓋品牌廠商到代工工廠，而且產業鏈完整。從需求來看，消費類產品包括手機、平板、筆記本、小型家電都使用充電器，市場比較大。另外他認為，未來充電器產品的接口會朝向Type C靠攏。Type C是標準化的接口，體積小而且可以正反接駁，Type C搭載USB PD協議已經做到100W商業化產品中。

成都矽力科技有限公司CEO易長根認為，由于大功率快充具有許多優點，市場發展勢不可擋，現在的大功率快充已經不只是提供電力怎么簡單，用“智能快充”表示現在的大功率快充產品更為貼切——不僅是充電快，還具備智能化特性。

簡單來說，就是同一個充電器具備為手機、平板、電腦等消費類終端充電的能力。比如，連接手機的時候，手機給充電器發送指令，兩端“握手”之后，提供合理的功率、電壓電流；同樣的，連接平板或者筆記本電腦，也會根據指令提供相應的充電功率。這相當于一個充電器有數個接口，一個充電器適用不同終端設備。

圖注：成都矽力CEO易長根

從PD快充、開關充電到協議芯片，快充芯片玩家盤點

大量的快充廠商需求也帶動了快充芯片的蓬勃發展。蘋果取消標配充電器背后有成本的考慮，可以說是既尷尬又明智的選擇，整機成本下降的同時，還簡化包裝，更加環保。另一方面也反映出大功率快充的成本較高，導致終端產品價格偏高。成本的因素也是入局大功率快充市場的玩家不得不考慮的問題。

目前進入大功率快充市場的廠商很多，劍博微電子（深圳）有限公司業務經理林成文表示，在保證產品質量的前提下，要想脫穎而出，靠的是產品成本。不同廠商的大功率快充產品之間，廠商想方設法在產品兼容性、靈活性、易用性上下功夫，但最終還是要控制產品的成本，以獲取讓消費者可以接受、具有競爭力的價格。

圖注：劍博微電子（深圳）有限公司業務經理林成文

除了價格之間，產品的兼容性也是影響消費者使用體驗的關鍵，據透露，劍博微已經開發出兼容PD的、功率高達100W快充芯片，并已經流片生產，預計下半年會面市。

成都矽力科技有限公司2017年創立于美國硅谷圣何塞，2019年11月在中國成都正式成立，創始人均來自美國*的半導體企業。公司專注于三方面的芯片研發銷售：*，定位高端智能電源管理芯片，填補國內空白，*替代美國高端芯片為目標，打破美國市場壟斷，破解貿易戰中部分受限芯片。第二，定位低功耗的電源管理芯片，為各種便攜電子產品提供更高可靠性，超長待機的芯片。第三，定位Type C、PD快充芯片，圍繞PD快充，設計出PWM控制的AC-DC、同步整流SR、100%占空比的DC-DC、PD全兼容協議等一系列PD芯片。

據悉，矽力已經獲得許多大客戶認可，比如與小米和倍思的合作處于送樣階段，并成功進入主流充電器終端品牌的供應鏈。為拓展產品應用，其分公司伊凡微電子為客戶提供技術支持和方案開發服務。

在手機廠商的廣告攻勢下，快充的概念已經廣為人知。在功能手機時代，線性充電芯片可以滿足800mA至1A電流充電需求，進入3G/4G時代，線性充電芯片轉換效率低、溫升高的弊端顯現，開關充電逐步取代線性充電并成為主流。開關充電芯片逐步從手機擴展應用到TWS耳機、電子煙、錄音筆等消費電子產品中。

圖注：上海芯導電子科技有限公司總經理歐新華

上海芯導電子科技有限公司總經理歐新華介紹，芯導早于2016年就研制出開關充電芯片，效率達到92-95%，這正是快充的主要電源芯片。在大功率充電趨勢的帶動下，手機需要更大的充電電流，一個手機傾向于使用兩三顆開關充電芯片，比如120W充電規格的手機就使用三顆開關充電芯片，每顆芯片承載40W電力。芯導也相應的產品集成充電協議，比如聯發科快充協議PE1.0/2.0、高通的QC2.0。

據介紹，以充電電流對目前開關充電芯片進行劃分的話，主流的充電芯片產品還是1.5A、2A、3A的產品，并且多數充電器廠商采用臺灣芯片，1.5A產品區間內地供應商有一定的市場份額，1.5A、2A開關充電芯片已經做到1-2毛美金。

除了深耕電源領域的廠商，也有從其他領域延伸進入快充領域。以南京沁恒微電子的產品為例，它最早是做USB接口芯片起家，最后延伸到USB PC協議芯片。協議芯片主要分為充電芯片和受電芯片，產品呈現一個特點是單芯片可集成多種快充協議，以實現終端產品的高兼容性。典型的產品包括充電端的USB PD多快充協議芯片CH236，受電端的USB PD多快充協議芯片CH224；針對充電器采用多接口的趨勢，沁恒微電子還推出雙口（Type A和Type C）多協議芯片CH237。沁恒微表示，受電端的協議芯片可以讓原本不支持PD協議的用電設備，比如音箱、電動工具等小型家電也能支持快充。同時，PD協議適用于無線充電，小尺寸的協議芯片有助于提升終端產品的集成度，比如沁恒微CH246，產品特點是支持PD、BC等多種協議、內置MOS全橋驅動器、無線收發電路、外圍精簡，從而降低終端產品的BOM。

作為一家成立6年的企業，英集芯從2015年到2019年的年復合增長率是151%，在移動電源行業全球市占率*，市占率超過60%。除了移動電源芯片，英集芯的產品涵蓋五大類：包括電源管理芯片、電池管理芯片、無線充SOC、PMU和接口芯片。從2015年發布*顆量產芯片到今天，整體芯片出貨量已經超過10億顆。

在近日由中國半導體行業協會集成電路設計分會與芯原微電子（上海）股份有限公司主辦的“第十屆松山湖中國IC創新*論壇”上。英集芯科技有限公司市場總監彭峰登場介紹了其IP5388大功率快充芯片。

圖注：英集芯科技有限公司市場總監彭峰

彭峰表示，IP5388是全球集成度最高的BUCK/BOOST快充芯片，內置升降壓控制器/功率MOS/MCU/TypeC PD PHY等，該款芯片全球*支持高通QC 5.0協議，同時覆蓋各大手機品牌最新大功率快充協議。可廣泛應用大功率移動電源、高密度GaN充電器、超級快充等領域。

據介紹，IP5388的整個BOM外圍非常精簡，除了一些電阻電容，只有一些路徑的隔離切換。同時內置各種快充協議。由于內置了MCU，可以進行無縫的迭代升級。同時還支持一些個性化的擴展，比如有些客戶會出于個性化需求自己進行開發，一些自己特有的功能。彭峰表示，這個雙向的 BUCK/BOOST快充芯片在大陸量產不超過三家，英集芯是其中一家。快充協議芯片供應商包括賽普拉斯、慧能泰、天鈺、英集芯、智融、南芯、優微、偉詮等廠商。英集芯的快充協議IC在國內已經排到*，并與小米、OPPO三星Vivo等多家手機品牌充電器合作。彭峰表示希望未來再花一年時間能成為全球*。

設計快充芯片離不開周邊的各種分立器件。安森美半導體產品營銷經理Jefferay Lawton表示，安森美半導體為大功率快速充電提供所有主要集成組件，包括功率因數校正(PFC)控制器、脈寬調制(PWM)控制器、同步整流驅動器、USB PD充電控制器、光電耦合器和MOSFET。其最新的方案包括NCP1622 PFC控制器、NCP1342準諧振反激控制器、NCP1568有源鉗位反激控制器、FUSB3307 USB PD 3.0充電控制器以及NCP4306 同步整流驅動器。安森美半導體也是少數幾家提供從二極管到復雜的諧振PWM控制器的供應商之一，這些產品用于適配器設計。

技術趨勢：PD協議會一統江湖嗎？

從技術角度來看，終端產品更新換代，芯片供應商和制造商要做的是將芯片做減法，減少外圍，讓終端客戶更好更快地將芯片集成到終端里。充電器相關元器件，包括整流、驅動、MOS等，也會隨著大功率快充普及不斷技術迭代。易長根認為，100W、120W對于消費類充電器來說足夠大，能滿足筆記本電腦和小型家電的電力需求，再追求更大功率意義不大。

在被問及大功率快充會不會經歷山寨手機的發展軌跡，易長根表示山寨手機作為整機產品，有成熟的方案，一個方案換個外殼并貼上不同品牌就可以賣出去，甚至出現公版公模的方案，產品同質化特征明顯，下游廠商更多扮演的是做組裝的角色。

不同的是，大功率快充要求廠商具備芯片和產品研發能力，需要數年的技術沉淀。即便使用相同元器件，不同產品的品質差異還是存在，可以看到目前同樣是20W功能的規格，不同產品的價格跨度較大。因此，大功率快充廠商采取的產品策略不盡相同，這點不能與山寨手機類比。

安森美半導體產品營銷經理Jefferay Lawton認為，往大功率充電發展的過程中，可能會面臨一些技術挑戰。主要是有效管理電源轉換的能力和提高功率密度。目前的充電器可能在15W左右，跳到45W或100W意味著輸送功率的3倍到7倍。消費者不希望看到他們的充電器尺寸增加7倍！能夠提高能效和功率密度意味著它們能夠在不增加充電器尺寸的情況下提供更高的功率水平，因此受益最大。這可以通過更高開關頻率和更高集成度的更高能效電源轉換拓撲來實現，例如高頻準諧振反激式和主動鉗位反激式。他表示，安森美半導體是*一家在這一市場空間提供這兩種拓撲方案的半導體公司。

此外，大功率快充行業存在多種快速充電協議，包括USB-PD、高通QC、OPPO VOOC、華為SCP/FCP、聯發科PE等。過去蘋果將手機的電流提高到1A和平板電腦的電流提高到2.4A，三星將電流提高到2A，均以5V供電。后來高通QC 2.0和QC 3.0高壓充電，與Oppo的VOOC大電流充電競爭，然而VOOC需要專有線纜，成本較高。由于高通沒有向所有人開放他們的標準，因此三星創造了自己的自適應快速充電（AFC），華為創造了他們的快速充電協議（FCP）和超級充電（SCP）。后三個協議AFC、FCP和SCP都是在安森美半導體的幫助下創建的，這些協議都是在傳統的標準A和Micro-B連接器上。

其中USB PD（全稱USB-Power Delivery）是目前主流快充協議之一，可用于數據傳輸和大功率充電放電，多數快充產品兼容該項協議。支持PD的接口主要為TypeC，但不是全部TypeC接口都支持PD充電協議。USB PD協議不僅用于手機充電，還可以用于移動電源為筆記本電腦供電；連接PC顯示器與主機。

那么，USB PD會否統一快充標準？

安森美半導體產品營銷經理Jefferay Lawton認為答案是肯定的。隨著USB PD在USB-C連接器上實現標準化，它提供了一個融合的開放標準，不僅允許為手機，還允許為筆記本電腦和平板電腦進行高壓充電。OEM廠商仍然可以通過PD通信協議棧中的廠商定義信息(VDM)實現產品的差異化。高通、蘋果和三星紛紛加入，所以趨同在USB PD的趨勢。

然而OPPO、小米、Vivo仍在推行他們的專有標準，時間會證明他們是否也被USB-C/USB-PD的合規性就范而采用帶有VDM的USB PD。安森美半導體通過PD可編程電源(PPS)產品促進了這一趨向USB PD 3.0的趨勢，PD PPS產品針對不同的功率電平和功能進行了優化，以服務于前面提到的整個快充譜系的產品。

成本太貴，GaN快充何時能普及？

隨著芯片廠商的技術逐步成熟、制造能力提升、價格降低等，再次打開了GaN功率器件面向消費用戶的大門，智能終端設備的需求是GaN（氮化鎵）功率器件普及的主要因素。

目前以GaN（氮化鎵）大功率充電為賣點的手機不在少數，GaN比傳統硅（Si）半導體材料具有更佳特性，已被用于制造晶體管、放大器和二極管等元器件，特別是在功率器件領域，GaN可實現更小尺寸和更高效率的充電器。

GaN比硅的禁帶寬度大3倍，擊穿場強高10倍，飽和電子遷移速度大3倍，熱導率高2倍。這些性能提升帶來的優勢是GaN比硅更適合做大功率高頻的功率器件，同時體積還更小，功率密度更大。GaN器件具有極高的開關速度、同一晶圓下的小通態電阻，讓更高效能和更高開關頻率快速充電成為可能。

引入GaN技術給大功率快充市場注入一針催化劑，加速更新迭代速度，同時也將沉寂了近十年的消費類電源市場徹底激活。

根據數據統計，在以電商客戶為主的充電器市場，2019年GaN功率器件出貨量約為300萬-400萬顆，隨著手機以及筆記本電腦滲透率進一步提升，2020年將實現5-6倍增長，總體出貨1500-2000萬顆，2021年GaN器件的出貨量有望達到5000萬顆。

GaN快充固然可以減少體積，劍博微電子（深圳）有限公司業務經理林成文認為，目前充電器的體積并不是影響消費者購買快充產品的決定因素，其更關心的是價格。林成文表示，GaN材料在大功率快充領域并不是必選項，降低價格才能真正打開市場格局，預計最終主流的大功率快充的價格將降低到百元以內。

不過，GaN功率器件價格偏貴，GaN場效應晶體管是大功率快速充電方案中最昂貴的組件，可占成本的15%至25%。林成文表示，作為GaN的MOSFET可提高大功率密度充電器所需的更好能效和更高開關頻率。隨著大功率充電器成為標準，將看到GaN功率器件的價格下降。目前，預計GaN不會完全取代Si MOSFET，因為仍有低端手機和其他產品需要較低成本的盒裝充電器配件方案。此外，還有許多其他較低功率應用不需要GaN的性能。

目前專門采用GaN功率器件主要有三個供應商：英諾賽科、納微半導體、PI。隨著GaN快充逐漸成為主流，PI率先推出了PowiGaN技術，并基于PowiGaN技術開發了5個系列的芯片產品，包括 InnoSwitch3-CP、EP、Pro、MX和LYTSwitch-6，完善電源芯片家族。

納微（Navitas）的GaN功率IC受市場青睞的程度并不亞于PI，據不完全統計，納微GaN Fast功率IC已經廣泛的運用于OPPO 50Ｗ餅干GaN快充、RAVPOWER 65W 1A1C GaN快充充電器、小米65W USB PDGaN充電器、SlimQ 65WGaNUSB PD快充充電器1A1C、Anker PowerCore Fusion PD超極充、RAVPower 45W GaN PD充電器、倍思65WGaN充電器、 ROxANNE 66W GaN USB PD雙口快充充電器等。其中，Baseus倍思在7月率先推出的120W、2C1A的GaN（GaN）+碳化硅（SiC）充電器，用的也是納微NV6127芯片。

英諾賽科是*上榜的國產硅基GaN廠商。目前在珠海和蘇州建有2個8英寸硅基GaN芯片研發生產基地，產品線覆蓋40V-650V的全系列GaN芯片。目前英諾賽科INN650D02應用于魅族、Lapo、洛克的65W快充產品上。

除了上述三個供應商，小米、華為、三星、OPPO和蘋果等公司都在GaN技術方面擁有積累，勢必會在這條道路上走得更遠，GaN快充市場容量有望迅速擴大，電商、第三方電源適配器廠商已經進入該領域，使得該領域出現群雄競逐的態勢，未來會是寡頭壟斷，還是百花齊放；是手機廠商主導，還是電商、電源適配器廠商引領，我們拭目以待。

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