1、電池技術(shù)瓶頸與手機(jī)功耗提升的矛盾

1.1.手機(jī)電池技術(shù)發(fā)展停滯不前

回顧手機(jī)電池的發(fā)展史，1973 年，摩托羅拉生產(chǎn)了全球第一部手機(jī) Dyna TAC 8000X，手機(jī)重達(dá) 1.81 斤，其中電池是最大的組成部分，由六節(jié)圓柱體鎳鉻電池組成，體積和重量占到了整個(gè)手機(jī)的一半，但是提供的通話時(shí)長僅為半小時(shí)，所需的充電時(shí)間則需要十個(gè)小時(shí)。

鎳鎘電池有容量低、壽命短等缺點(diǎn)，此外還具有嚴(yán)重的記憶效應(yīng)，電池需要使用至完全沒電才能進(jìn)行充電，直到充滿電才能繼續(xù)使用，不然就會使得電池容量快速下降，由于種種缺點(diǎn)，也限制了手機(jī)的發(fā)展，急需新的電池技術(shù)。

1983 年，手機(jī)電池實(shí)現(xiàn)了首次的更新?lián)Q代，鎳氫電池出現(xiàn)，相對于鎳鉻電池在電池容量上有明顯的提升，電池密度的增大，也使得電池體積可以大幅度減小，這一改變也使得手機(jī)更具便攜性，摩托羅拉在 1996 年推出了搭載鎳氫電池的 StarTAC 手機(jī)具備更加便攜的外形。

在 90 年代初期，索尼研發(fā)的鋰電池正式投入商用，但是由于初期鋰電池價(jià) 格高昂，且技術(shù)還較為不成熟，相比鎳氫電池的優(yōu)勢不明顯，因此沒有得到大范圍的普及，但是到了 90 年代末期，隨著材料技術(shù)以及制造技術(shù)的進(jìn)步，鋰電池在容量提升的同時(shí)成本也持續(xù)下降，逐漸得到了市場的青睞，便攜式設(shè)備也進(jìn)入了鋰電池時(shí)代。

如今，距離鋰電池發(fā)明已經(jīng)有近五十年，但是鋰電池的技術(shù)在近些年來已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)瓶頸期，能量密度已經(jīng)接近其物理極限。

1.2.手機(jī)性能提升隨之帶來功耗增長

隨著智能手機(jī)功能的增加，手機(jī)的耗電量也持續(xù)上升，這對電池的續(xù)航能力造成了比較大的壓力。其中手機(jī)耗電主要部件為 CPU/GPU、屏幕、蜂窩/WIFI/ 數(shù)據(jù)、sensor/BT/GPS 等幾個(gè)部分。

智能手機(jī)屏幕作為內(nèi)容輸出以及人機(jī)交互的主要窗口，占據(jù)了整機(jī)功耗的最大部分，主要耗電部分為背光燈、觸控傳感器，特別是隨著屏幕像素以及屏幕亮度的提升，其耗電量也是逐年增長。屏幕高分辨率帶來的高耗能主要源于GPU 對成倍提升的像素點(diǎn)的計(jì)算量的增加。

例如當(dāng)屏幕以 2560X1440（577ppi）的分辨率運(yùn)行時(shí)屏幕功耗為 10.247W，相比 1280X720（144ppi）分辨率功耗高出 87.3%。

此外隨著手機(jī)的更新屏幕耗電量也逐代提升，比較 iphone 6 plus 以及三星 S7 在最大顯示亮度下屏幕功耗分別達(dá)到了 1.52W 和 1.45W， iPhone 6 相較于 iPhone 5 功耗高出 44.59%，三星 S7 相較于上一代三星 S6 功耗高 20.83%。

隨著手機(jī)功能的豐富，對于手機(jī) CPU 的性能要求也逐漸提升，雖然手機(jī)芯片跟隨著摩爾定律的發(fā)展，從最初的單核 1GHz 的主頻，發(fā)展至后來的雙核、四核、六核甚至十核，不少 CPU 廠商通過簡單粗暴的增加核心數(shù)來提升手機(jī)性能，但是隨之而來也帶來了 CPU 功耗的提升。

從蘋果 A 系列芯片來看，新款 A12 芯片平均大核功耗為 3.96w 高于 A10 芯片平均功耗 3.68w；華為麒麟 980 平均大核功耗為 1.85w 高于麒麟 810 的平均功耗 1.12w；高通驍龍 855 芯片平均功耗為 1.95w 高于驍龍 835 以及 845 的 1.40w 和 1.70w。由此可以看到，隨著 CPU 的更新?lián)Q代，也將帶來 CPU 功耗的提升。

手機(jī)通信制式的提升也會帶來相應(yīng)的功耗增長，以最新的 5G 手機(jī)為例，5G 手機(jī)相對于 3G、4G 手機(jī)內(nèi)部采用了 Massive MIMO（大規(guī)模多入多出）天線技術(shù)，需要在手機(jī)內(nèi)置至少 8 根天線，每根天線都需要配備功率放大器，這就會產(chǎn)生比較大的功耗，此外，在 5G 發(fā)展初期，整體網(wǎng)絡(luò)覆蓋率較低的情況下，如果使用 5G 網(wǎng)絡(luò)，會出現(xiàn)手機(jī)頻繁搜索信號的情況，搜索信號本身就會加速電量的消耗。

根據(jù)小米集團(tuán)中國區(qū)總裁盧偉冰的表述，如果 5G 旗艦手機(jī) 5G 網(wǎng)絡(luò)全開，功耗將會高于 4G 手機(jī)約 20%

除了通訊功能外，可以連接手機(jī)的可穿戴設(shè)備數(shù)量增多，需要手機(jī)保持藍(lán) 牙的開啟狀態(tài)，也需要消耗電量；還有導(dǎo)航以及健身等應(yīng)用軟件需要頻繁調(diào)用 GPS 支持，這部分來自于 GPS 芯片的計(jì)算工作和加速劑陀螺儀等的支持工作功耗大概在 50mW 左右。

2.快充成為解決電量焦慮的方法之一

2.1.快充技術(shù)通過增大電流或電壓實(shí)現(xiàn)

隨著使用手機(jī)的時(shí)長不斷增長，在保持手機(jī)輕薄的前提下，如何最大化增強(qiáng)手機(jī)的續(xù)航成為各家廠商思考的問題。其中一種方式就是加快手機(jī)的充電速度。

快充的實(shí)現(xiàn)方法是通過調(diào)整手機(jī)充電時(shí)的電壓和電流值，從而縮短手機(jī)的充電時(shí)間，目前主流的快充方法分為三種：提高充電電壓、增長充電電流、或者是在提高電壓的同時(shí)增大電流。

形象的來表示快充技術(shù)，可以通過下圖中，將水壓代表電壓，水流代表電流，水庫來表示為電池，提高電壓類比為提高水位差來增加水流速度，讓水可以更快的從大水庫流進(jìn)小水庫，增大電流則等效于增大水庫間的水管寬度，通過的水變多加速小水庫注滿，使用以上任意一個(gè)或者兩種方式結(jié)合都可以達(dá)到快充的效果。

2.2.充電器產(chǎn)業(yè)鏈

有線充電器即為市面上需要電源線連接設(shè)備的充電器，用來對智能終端來進(jìn)行充電，主要技術(shù)原理是利用電力電子器件將交流電轉(zhuǎn)換為可以對鋰電池進(jìn) 行充電的直流電。有線充電器廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子中智能手機(jī)、平板電腦以及筆記本等常見的智能終端設(shè)備，充電功率通常為 2.5W-100W 之間。有線充電器主要可以分為普通充電器以及快速充電器，普通充電器的價(jià)格相對比較便宜，但是充電速度較慢，現(xiàn)在消費(fèi)者越來越接受具備更快充電速度的快速充電器。

有線充電器主要由塑料殼體、金屬插腳、USB 接口、PCB 板、控制芯片、變壓器、MOS 管、被動元件（電容、電阻、電感等）、輔材（如絕緣膠）等零部件或材料組成。

根據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu) BCC Research 于 2018 年 8 月發(fā)布的報(bào)告數(shù)據(jù)顯示， 2017 年全球有線充電器市場規(guī)模為 85.49 億美元，其中，普通充電器市場規(guī) 模 68.22 億美元，占比為 79.80%；快速充電器市場規(guī)模為 17.27 億美元，占比為 20.20%。

目前市場上各大廠商都推出了各自的快充技術(shù)，較為主流的包括高通 QC 協(xié) 議，聯(lián)發(fā)科 PE 協(xié)議，OPPO、VIVO 的閃充，華為的快充技術(shù)等。

2.3.高通 Quick Charge 技術(shù)

高通作為目前智能手機(jī) SoC 領(lǐng)域市占率最高的品牌，高通很早就開始發(fā)展開售充電技術(shù) Quick Charge（QC），大部分使用高通驍龍?zhí)幚淼氖謾C(jī)都使用 QC 快充，三星旗下的 Exynos 處理器也支持 QC 快充規(guī)格。

高通最早是采用低電壓高電流模式，通過將電流大小提升至 2A 來增強(qiáng)充電功率。但是受限于當(dāng)時(shí)使用的 Micro USB 接口，2A 已經(jīng)達(dá)到了承受的電流上限，隨后高通轉(zhuǎn)向發(fā)展高電壓恒定電流模式，通過增強(qiáng)電壓來提升充電功率。直到 Type C 接口技術(shù)逐漸普及發(fā)展成熟，可以承受的電流上限提高，高電壓高電流模式逐漸開始發(fā)展。

目前高通的快充技術(shù)已經(jīng)發(fā)展至 QC4+版本，通過雙通道充電、智能散熱以及升級的安全設(shè)計(jì)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)最快 15 分鐘充電 50%的效果，其中雙通道充電技術(shù)是指通過兩個(gè)電源管理芯片將電流分成兩部分，并且讓電流從比較低溫的通道來進(jìn)行充電，這樣一來在降低電池發(fā)熱的同時(shí)還可以提升充電速度，QC4+版本也兼容之前發(fā)布的 QC4.0、QC3.0 以及 QC2.0 快充技術(shù)，并且還可以應(yīng)用在移動電源、汽車等接口。

2.4.USB PD

USB PD（USB Power Delivery）是由 USB-IF 組織制定的一種快速充電規(guī) 范，USB-PD 協(xié)議的充電器主要以 Type-C 輸出，可以實(shí)現(xiàn)更高的電壓和電流，輸送功率最高可以達(dá)到 100w，并且可以自由的改變電力的輸送方向。

USB-PD 的使用裝置沒有限定，相機(jī)、平板電腦、筆記本電腦以及顯示器等產(chǎn)品都能使用這種充電規(guī)格，充電中裝置和充電器之間會自動判斷使用多大的電流充電，如果不符合 PD 規(guī)范的充電裝置，則會提供 5V/0.5A 的充電速率。另外，高通在 QC4.0 之后就兼容了 USB-PD 規(guī)格，支持 QC4.0 的快充設(shè)備也支持 USB-PD 快充。

2.5.OPPO VOOC 快充

OPPO 在 2014 年推出了 VOOC 閃充，并在 2018 年推出了商用化的 SuperVOOC 超級閃充技術(shù)，也是目前市場上最快的手機(jī)充電技術(shù)。OPPO 成功也得益于其強(qiáng) 大的研發(fā)實(shí)力，OPPO 自主研發(fā)的 VOOC 充電協(xié)議已經(jīng)在全球范圍內(nèi)申請了超過 1000 項(xiàng)的核心專利。

目前 OPPO VOOC 閃充平臺已經(jīng)形成了 VOOC 閃充、Super VOOC 以及無線 VOOC 閃充完整的三條路徑。

VOOC 4.0：采用新一代 3C 電芯和 30W 高功率版適配器，降低整個(gè)充電系統(tǒng)內(nèi)阻的同時(shí)升級了適配器內(nèi)部的功率器件，30 分鐘能夠?qū)?4000mAh 容量電池充至 67%，73 分鐘充至 100%。

Super VOOC2.0 峰值功率可以達(dá)到 65W，可以在半小時(shí)內(nèi)將 400mAh 的電池充滿，VOOC 3.0 則需要 90min 左右，傳統(tǒng) 5V2A 的充電頭則需要 120min 以上。

2.6.華為 SuperCharge

SuperCharge 是華為的私有的快充協(xié)議，被廣泛應(yīng)用于華為以及榮耀的主流機(jī)型上，目前最高支持 55W 的有線充電，充電規(guī)格最高為 20V/2.75A，55W 充電規(guī)格被首先應(yīng)用于 mate x 系列手機(jī)，在其余旗艦機(jī)型中搭載了 40W 有線充電。

使用華為 40W 快充對 Mate 20 Pro 進(jìn)行充電，半小時(shí)可以充 71%的電量， 18w 充電器只能充 36%，10w 充電器僅能充 23%。

2.7.vivo 快充

vivo 快充采用了雙引擎閃充，較普通充電技術(shù)速度提升 2 倍以上。雙引擎閃充技術(shù)采用了雙充電芯片并聯(lián)充電的方式，在進(jìn)行快充的時(shí)候兩顆充電電芯同時(shí)進(jìn)行工作，采用雙芯片架構(gòu)，可以有效的提高每顆 IC 的充電效率，使充電芯片安全高效的持續(xù)轉(zhuǎn)換能量給到電池，收益與每顆充電芯片的效率得到提升，手機(jī)端的整體溫升也表現(xiàn)更好。

在 2019 年 MWC 上 vivo 更是發(fā)布了最新的超級閃充技術(shù)，最高輸出可以達(dá) 到 20V/6A，輸出功率 120W，將 4000mAh 鋰電池從 0%充至 50%只需要 5 分鐘，充滿至 100%只需要 13 分鐘。

2.8. 小米快充 Charge Turbo

小米快充為 Charge Turbo 具備 50W(10V5A)、40W(10V4A)、30W( 10V3A)等快充規(guī)格，最新的小米 10 Pro 便采用了單電池設(shè)計(jì)的 50W 快充規(guī)格。小米旗下采用高通驍龍?zhí)幚砥鞯臋C(jī)型均對高通 QC 快充協(xié)議具有良好的支持，例如小米 10 Pro 便支持 QC4+和 PD3.0，而新發(fā)布的小米 10 青春版則支持全新的 Quick Charge 3+。

2.9. GaN 在快充中大有可為

GaN 是第三代半導(dǎo)體材料，具備導(dǎo)通電阻小、損耗低以及能源轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠在高溫高電壓的環(huán)境下運(yùn)作，非常適合應(yīng)用于高頻高功率的元件中，由 GaN 制成的充電器還可以做到較小的體積。隨著 GaN 的制程技術(shù)逐漸成熟、成本降低后，充電器產(chǎn)品也能夠用上 GaN。

在 2019 年 10 月份，OPPO 發(fā)布了 Reno Ace 標(biāo)配了 65W 超級閃充的充電器，其中就使用了 GaN 技術(shù)，OPPO 也成為了全球第一個(gè)在手機(jī)充電器中導(dǎo)入 GaN 技術(shù)的廠商。

在 2020 年 2 月，小米在其新品發(fā)布會上也推出了應(yīng)用 GaN 技術(shù)的 65W 充電器，極大地引起了市場的關(guān)注。

以小米 65WGaN 充電器為例，氮化鎵技術(shù)的使用讓充電器有了更高的效率，發(fā)熱更少，尤其重要的是在體積方面有了突破性進(jìn)展，相比非氮化鎵的 65W 充電器體積減少了 40%。此外，充電器可以兼容市面上主流的設(shè)備，包括手機(jī)、筆記本、平板電腦以及游戲機(jī)等，提供不同功率的輸出，方便消費(fèi)者的日常使用。

氮化鎵產(chǎn)業(yè)鏈包括襯底、外延片以及器件制造等主要環(huán)節(jié)，市場上主流的氮化鎵生產(chǎn)廠商集中在歐洲以及日本等地區(qū)。GaN 襯底主要由日本公司主導(dǎo)，日本住友電工市場份額達(dá)到 90%以上；生產(chǎn) GaN 外延片的廠商主要為比利時(shí) EpiGaN、日本 NTT-AT 以及英國的 IQE 等；設(shè)計(jì)廠商以美國的 EPC、Navita 以及 macom 為主；主要的代工廠包括臺積電、穩(wěn)懋為主，國內(nèi)廠商三安集成市場份額目前還較低等。

采用 IDM 模式的公司包括日本住友電氣、荷蘭英飛凌、美國 PI 等公司，國內(nèi)公司英諾賽科擁有非常完善的 8 英寸硅基氮化鎵產(chǎn)業(yè)化平臺，包括功率與射頻兩條產(chǎn)品線。

目前市場上可以提供氮化鎵充電器中氮化鎵功率芯片的公司包括 Power Integrations、納微半導(dǎo)體以及英諾賽科。Power Integrations 的氮化鎵技術(shù) 被應(yīng)用于 OPPO 發(fā)布的 SuperVOOC 氮化鎵快速充電器中；小米氮化鎵充電器則配備了納微半導(dǎo)體的 NV6115、NV6117 GaNFast 功率芯片；英諾賽科是國內(nèi)硅基氮化鎵廠商，雖然整體實(shí)力與國際先進(jìn)水平還存在差距，但是公司采取 IDM 模式，于 2017 年底建成了我國首條 8 英寸硅基氮化鎵功率器件的量產(chǎn)線，未來在工藝先進(jìn)性、產(chǎn)品覆蓋面以及產(chǎn)能布局上有具備一定優(yōu)勢，未來發(fā)展前景值得期待。

根據(jù) Yole 報(bào)告，受益于 5G 建設(shè)、快充、汽車電子、消費(fèi)電子等領(lǐng)域的需求推動，GaN 市場將在未來保持較快速度增長，其中增長最快的將是快充市場，目前國內(nèi)已經(jīng)有較多廠商開始對 GaN 快充進(jìn)行布局，未來隨著消費(fèi)者對 GaN 充電器的熟知，技術(shù)和銷量提升帶來成本的下降，GaN 充電器有望成為手機(jī)的標(biāo) 配產(chǎn)品，可能成為在消費(fèi)電子領(lǐng)域中繼TWS耳機(jī)的下一個(gè)爆款產(chǎn)品，預(yù)計(jì)到2025 年全球 GaN 快充市場將達(dá)到 600 億元的規(guī)模。

3.無線充電是解決電量焦慮的方法之二

3.1.無線充電的優(yōu)劣勢

無線充電技術(shù)（Wireless Charging Technology）是利用電磁感應(yīng)或其他交流感應(yīng)原理來進(jìn)行電力傳輸?shù)募夹g(shù)。無線充電相對于有線充電的優(yōu)點(diǎn)主要為：第一，傳輸和接收設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)了電流隔離，在使用時(shí)安全性更高；第二、電力的接收裝置可以實(shí)現(xiàn)完全的封閉，可以更方便的實(shí)現(xiàn)完全防水；第三，可以省去體積較大的連接器，實(shí)現(xiàn)接收設(shè)備的小型化，可以更好的應(yīng)用于藍(lán)牙耳機(jī)、智能手表等可穿戴設(shè)備上；第四，省去了拔插連接器的動作，在充電時(shí)更加方便。

同時(shí)無線充電也存在著一定的劣勢：第一、無線傳輸效率較低，通常的無線充電功率低于有線充電；充電工作距離較短，傳輸距離越遠(yuǎn)功率損耗越大，傳輸效率越低。

3.2.無線充電技術(shù)路徑

可以實(shí)現(xiàn)無線充電的技術(shù)主要為四種：電磁感應(yīng)、磁場共振、微波方式以及電場耦合式，其中電磁感應(yīng)是目前應(yīng)用最多的技術(shù)。

電磁感應(yīng)技術(shù)是市場上最為成熟的技術(shù)，原理是電流通過線圈時(shí)會產(chǎn)生磁場，對附近的線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢進(jìn)而產(chǎn)生電流，實(shí)現(xiàn)電能從傳輸端向接收端的轉(zhuǎn)移。WPC 聯(lián)盟的 Qi 標(biāo)準(zhǔn)以及 PMA 標(biāo)準(zhǔn)都是采用電磁感應(yīng)式的方案，這種方式轉(zhuǎn)化效率較高，但是傳輸距離較短僅為 10mm 左右，此外對設(shè)備的放置位置要求較高，充電過程需要對準(zhǔn)線圈一對一進(jìn)行。

3.3.無線充電市場持續(xù)增長

隨著無線充電技術(shù)的逐步發(fā)展與成熟，其應(yīng)用范圍從初期的電動牙刷、剃須刀逐步擴(kuò)展至智能手表、智能手環(huán)、智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦，甚至電動汽車領(lǐng)域。如今，無線充電器的應(yīng)用領(lǐng)域正隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步而日益廣泛。

根據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu) BCC Research 于 2018 年 8 月發(fā)布的報(bào)告數(shù)據(jù)顯示， 2017 年全球無線充電器市場規(guī)模為 10.58 億美元，預(yù)計(jì)到 2022 年全球無線充電器市場規(guī)模將達(dá)到 15.64 億美元，年復(fù)合增長率約為 8.1%。

無線充電行業(yè)已經(jīng)形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，包括方案設(shè)計(jì)、芯片、線圈、磁性材料以及模組制造，其中方案設(shè)計(jì)以及芯片具備較高的技術(shù)壁壘，占據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值量約 60%，主要被高通、TI、博通等國外企業(yè)壟斷所壟斷，國內(nèi)企業(yè)中興通訊、信維通信以及全志科技等技術(shù)也在逐漸進(jìn)步；線圈及磁性材料價(jià)值量占比約為 30%，國內(nèi)企業(yè)信維通信、碩貝德、橫店東磁等都具備較高的競爭力；模組制造占比約為 10%，技術(shù)含量較低，國內(nèi)廠商包括立訊精密、欣旺達(dá)、德賽電池等。