拆开一个氮化镓快充充电器,清理完内置灌满的导热胶,PCB板上大概就会露出内置的四种芯片,包括协议芯片功率芯片原边芯片和副边芯片等,而里面的这颗功率芯片已经不再是传统硅材料,它逐渐被氮化镓这种新兴的半导体材料替代。

氮化镓(gallium nitrideGaN)是下一代半导体材料,是高频、高压、高温和大功率应用的优良半导体材料,其拥有更高效率的开关速度,运行速度比传统硅(Si)技术加快了二十倍,并且能够实现更高功率。简而言之,在同等效能下,它可以做到更小的体积,所以氮化镓充电器通常体积更小,做到的充电功率也更高。

正是得益于这些性能优势,氮化镓在消费类快充电源市场中有着广泛的应用。

726日,Anker安克召开2022旗舰新品发布会,联合5家全球领先的芯片厂商,公布了4项最新的充电技术并发布7款年度旗舰新品。发布会上,Anker还展示了其关于氮化镓技术的全新成果——安克GaNPrime全氮化镓多口快充系统,它以氮化镓材料技术为全局核心,协同3项核心技术,使得充电性能获得系统级提升,产品性能取得重大突破,重新定义氮化镓。

 图源:Anker官方
图源:Anker官方

随着移动设备的持有量快速增长,消费者对于大功率、多设备同时充电的追求逐渐提升。而因为很多设备在快充私有协议上也展开了军备竞赛,所以面临每天多设备携带时,如何充得更高效成为了一个行业都在攻坚的难题。

与此同时,消费者携带的数码产品的设备功率也越来越大,在面临充电设备选择的时候也有不同的需求。像我自己就是一个多设备EDCeveryday carry)的消费者,而我自己选择一个三方品牌充电器的时候,可能更多还是把兼容性放在第一位,因为我包里设备特别多,少带充电器是第一需求——但也就面临着不同协议之间充电速度的降低。

借此机会,我们也和Anker安克充电器产品线负责人刁祝以及纳微半导体高级应用总监黄秀成博士展开对话,聊了聊Anker在充电领域如何再进一步,新兴半导体材料氮化镓技术和应用,以及快充行业的未来。

7款新品提供全方位充电解决方案

Anker这代产品,从思路上,还是想给用户提供一个全方位的解决方案,覆盖用户的多个场景。

在发布会上,Anker一口气发布了7款新品,包含4款充电器,2款移动电源和1款插座,来满足消费者的多样充电需求。

比如综合性能最强劲的Anker 737 全氮化镓120W充电器,体积和市面上其他品牌的65W充电器差不多。极致的小体积,依然拥有2C口和1A口,单口最大100W输出功率,能快充高功率需求的手提电脑。而Anker 747全氮化镓充电器,拥有最高150W的功率,并且支持3C口和1A口,能同时为 4 台设备全速充电。150W的强劲功率能支持同时快充2Macbook Pro

所有的Anker氮化镓充电器,包括可以同时充3个设备的Anker 735 全氮化镓65W充电器和全新的单口Anker 717 140W充电器都保持着类似的性能,高效且更小的外观体积。

 图源:Anker官方
图源:Anker官方

刁祝称,在规划这代产品的时候,最关注几个指标:第一,能否带来更高的功率;其次,能否通过带来更高的功率和更多的插口提升用户的工作效率;最后,在提升效率的同时关注用户的便携性,这个便携性不光是指用户出门携带,还针对家中的各种充电设备插的占用。

Anker作为快充技术行业里的长跑选手2018充电行业首发氮化镓技术,至今也已经跑了四年时间。所以,我们对它的好奇,相比于场景需求引发的产品定义逻辑的改变,更多的是内部技术的迭代和运用。

GaNPrime全氮化镓多口快充系统是此次Anker发布核心技术。简单来说,Anker联合五大芯片厂商,使用众多定制元器件,从单一氮化镓技术升级为系统级技术创新领域,此次发布会上Anker也协同公布了自主研发PowerIQ技术、AI智能控温技术2.0和创新堆叠技术,带来氮化镓充电产品的全面性能飞跃。

以历经3年研发的Power IQ 4.0为例。新增的全时功率分配技术,在其他多口充电器还只能固定功率输出的情况下,Anker在业内首次实现了C口之间的充电功率可以实时自动分配调整。简单来说,手机和电脑同时快充,这项技术会每秒监测设备的功率需求、每3分钟按需调整功率再也不需要消费者通过手动调整充电端口来获得最优功率据Anker介绍最高可以节省1小时充电时间

小体积快充充电器更重要的一项技术是堆叠技术,Anker实现了堆叠技术的重要创新——结合中国的榫卯技术进行精密搭配,优化了散热、空间、排布等多个因素,加上软件上的配合,使得产品拥有更稳固以及卓越的散热性能。

对于氮化镓材料,Anker并没有把它当做一个单个的元器件来替代使用。每个厂商都在聊氮化镓,但我们看到的——对氮化镓频率的调校,或者说真正的潜力发挥,不只是靠氮化镓本身,还要依靠拓扑结构,也就是它的硬件的逻辑架构是否高效,这跟它相关的元器件配合有关。

刁祝认为,之所以这代做到了更高的功率密度,就是来源于Anker应用了新的拓扑结构,以及在元器件上的选用和专门定制,带来了对于氮化镓更大程度的应用。

这时的氮化镓就变得更像是一个系统。所以推出GaNPrime品牌,也是在升级逻辑上摒弃了所谓的GaN技术一代二代三代这样无意义的数字升级,用产品和技术积累体现我们对氮化镓技术系统的理解。

因快充而生的氮化镓

2018年,Anker首次试水推出氮化镓技术的充电器,那时氮化镓还没有在市场上普及,算是一个比较新鲜的技术,但当时以智能手机为首的数码产品已经在高功率充电的趋势上发展,手机从5W突破到18W,笔记本也从40W来到65W左右,Anker当时认为,用户再拿着那么大的充电器出门已经不合时宜了。于是当时确定,从体积便携性角度出发,推出氮化镓技术的充电器。

这两年,上游设备功率的变化也催生了市场竞争。随着时间的推进,快充行业,尤其是以Android为首的中国智能手机产品变得了起来,从25W卷到45W,从45W卷到65W,如今已经来到120W以及200W,当上游设备充电速度越来越高,用户、设备越来越多,多口充电,多个设备的充电需求越来越强烈。于是Anker开始推出多形态的氮化镓充电器。

于是这里产生了一个悖论。本身用户就需要的是小型便携的产品,但如今多口也成为一个重要需求,多口势必会加大体积和重量,于是产品场景的需求再次催生了这次氮化镓技术集成革命。

Anker的创新离不开与半导体厂商纳微的合作。后者纳微半导体成立于2014年,旨在实现电力电子领域超速充电的革命。其GaNFast 功率芯片集成了氮化镓功率器件以及氮化镓驱动、保护和控制器件,体积小、充电快、节能效果强。GaNFast 功率芯片被应用在全球领先的130多种型号的氮化镓移动充电器中。

 图源:纳微半导体官方
图源:纳微半导体官方

谈及和纳微的合作,刁祝认为双方是高度耦合——尽管纳微只做功率器件,但其实他们在产品上的研发是很深度的,他们会很深入的参与到我们的产品定义里面来,我们也会参与到他们的芯片定义当中去。

这看起来更像是一场快充领域的Wintel联手。Anker根据底层技术提消费需求,并且在应用领域做创新。而纳微也会共同研发和讨论芯片配合元器件的整体性能表现,评估一些性能参数,确保Anker持续使用来自纳微的最新的氮化镓技术。

最新的氮化镓技术就包括来自纳微的GaNSense技术,这看起来也是一次技术集成

氮化镓有一个短板,就是门级的电压,开通阈值很低,能够承受的绝对值电压也很低,所以就要求驱动电路要有非常强的噪声抑制能力。普通的友商的分立式的氮化镓,外部的驱动比较容易造成过充和欠压,所以对器件的可靠性会造成一些影响。黄秀成告诉品玩。

于是来自纳微的第一代GaNFast系列氮化镓功率芯片就专门针对这个问题做了解决方案。它把驱动集成在同一个GaN的晶圆上,驱动电压又是可以准确降到氮化镓想要的驱动变压,在非常舒适的一个工作区间。所以,GaNFast氮化镓功率芯片的一个主要特点就是这个门级的可靠性得到了非常大的保障。

纳微的第一代和第二代GaNFast芯片基础上新增了GaNSense技术打造的纳微第三代和第四代智能GaNFast芯片,比前两代更进一步。GaNSenseGaNFast的基础上,做了更多的升级和集成,比如将电流检测,温度检测和自动智能的待机等功能全部集成。在保障本身器件的可靠运行的同时,它可以降低电流采样的损耗。

65W的充电器为例,GaNSense至少可以减少0.3W电流采样的损耗,待机方面可以降低10W左右的待机功耗。所以,由于GaNSense的性能卓越,Anker也有机会打造出更高标准的快充产品。

氮化镓和快充行业的未来

实际上,快充充电器行业已经是一个非常成熟的市场,GaN技术领域推动着市场方案的普及,市场上的OEM品牌也都能根据成熟的解决方案推出自有产品。

但是,不管是从技术进步还是产品深度定义的角度,市场终究会向下一步进化。这也推动着有技术底蕴的上游厂商和可以接触到一线消费需求的OEM达成更紧密的合作。

技术角度,黄秀成称采用GaNSense技术的新一代GaNFast氮化镓功率芯片达到了700伏认证,所以相比友商,从650V提升到700V,意味着新一代产品在效能上的提升。

黄秀成认为,氮化镓技术未来的一个趋势仍然是高功率高效率的解决方案,随着功率的提升,整个系统框架,电源的框架都会有些变化。比如之前最熟悉的反激变换器,在Anker这次产品上就有了新的拓扑结构,也就是非对称半桥。技术层面,我觉得新拓扑,新的模块化方式,可能会是未来快充的一个主流方向。

 图源:纳微半导体官方
图源:纳微半导体官方

传统硅现在已经探到了器件的物理极限,但氮化镓还是会持续演进,离它的物理极限还很远。从成本的角度,它下降的速度也可能比我们预想的来的更早一些。我们最早预期是到2024或2025年,器件成本可以和硅MOS持平。

快充只是冰山一角,除去快充,氮化镓技术还拥有更广阔的市场。现阶段,快充行业仍是纳微半导体营收中占比最高的支柱应用,除去消费电子,工业领域包括服务器,汽车行业内的芯片,在未来也会成为最为主导的几个应用场景之一。纳微内部规划是在未来3-5年,能够做到5-6亿美金的市场数值,这是氮化镓全部市场的1/10。

刁祝认为,氮化镓技术从深度上讲,这个元器件本身潜力还存在更广泛的发展空间,它能做到100万次每分钟的开关,现在的速度是300多,已经做到这样体积的产品和功率密度,所以它的功率密度还能继续往上提升,会继续卷。

另外,未来会有越来越多的集成化芯片就像是一个个的房子,但是电路会逐渐做小,然后芯片会做集成,都放到一个小房子里,这样更省体积,减少了周边电路,效率也会更高。

这几年快充行业的变化也很大,未来快充和兼容一定是统一的趋势,刁祝认为这里面更多的考虑是环保碳中和,互不兼容的设备其实造成的更多是浪费和污染。

越来越少的充电器会出现在手机的包装盒里,这里也涉及到一些价值转移。“大部分的用户以前会觉得有个充电器可以用就行,哪怕互不兼容,现在他们可能会考虑买原装,也可能会去考虑购买一个多口的快充充电器。”消费市场正在逐渐成熟,OEM和上游芯片厂商的合作也会越来越紧密,氮化镓技术的发展会推动像Anker和纳微半导体这样的厂商合作,这种合作是技术大规模应用的下一个阶段,也只有这样的定制合作,才可能推出更具竞争力的产品。