手機/平板/筆電的螢幕尺寸、應用程式等功能快速成長，每人擁有的電子設備與穿戴裝置增加，導致電源需求同步提升，多接孔且充電快速的充電器順勢成為市場熱門的應用之一。同時面對矽材料在能量密度等方面的理論極限，為提升電源的轉換效率與功率密度，氮化鎵(GaN)逐漸成為受到製造商關注的功率半導體應用。投入GaN產品研發的廠商中，部分製造商專攻200V以下的消費電子市場，而GaN快充便是消費電子產品中商品化最為快速的應用。本文將整理GaN在消費性電子市場的應用分析與發展挑戰，探究GaN在消費電子市場的潛能，以及未來應用方向。
GaN快充應用看漲
今年GaN快充應用的熱潮，從1月CES 2020的參展狀況可略知一二。GaN System台灣區業務總經理林志彥(圖1)描述，CES 2020中，約有50-60家的台灣及中國的消費電子配件品牌參展，並推出超過100件採用GaN的產品。納微半導體(Navitas)銷售和市場副總裁Stephen Oliver(圖2)認為，2020年即是GaN在智慧型手機/平板/筆電快充產品的應用快速發展的一年。過去幾年間，從統計數據中可以發現，螢幕與電池的尺寸持續增加(圖3)，同時Oppo、Vivo、聯想(Lenovo)、小米已推出手機搭載65W以上的充電器，代表使用者需要快充滿足逐漸增加的電源需求。除了先前主攻售後市場的AUKEY、Anker、RAVpower及Belkin，其他製造商如聯想、三星(Samsung)、Oppo與小米採用GaN快充作為售後的手機配件，甚至可能將其提升為原廠標配(圖4)。
除了GaN快充產品在消費端需求顯著，製造商同時看好GaN高效率、低導通損耗、外型小巧且適用於高頻率的材料特性。Yole化合物半導體/新興材料技術與市場分析師Ezgi Dogmus解釋(圖5)，技術上，GaN在系統整合方面有兩大主要趨勢：系統單晶片(SoC)、系統級封裝(SiP)。針對技術平台，有兩種為了GaN部署的半導體基板：採用藍寶石基板的GaN-on-sapphire、使用矽基板的GaN-on-Silicon。兩種技術都發展良好，可望在明年成為熱門應用。整體而言，GaN快充系統的成本、尺寸及效能，將會創造比其他充電產品更大的市占率。
廠商競爭刺激產量
面對新應用如GaN快充，產品成功最重要的關鍵在於開創市場，讓技術被市場接受並且獲利。Stephen Oliver提到，相較於使用矽，採用納微GaNFast功率晶片的充電器，在整合GaNFET/驅動器/邏輯與數位電路的前提下，可以達到充電速度加快三倍，同時體積減少一半，兼顧性能與價格的優勢。例如廠商AUKEY使用GaNFast晶片製造61W的快充，其體積比蘋果充電器小65%。
如果著重觀察消費市場對新技術/產品的接受度，價格便是驅動需求的主因。林志彥舉例，小米已推出的GaN快充電源售價約台幣700元，成為市場高度接受的產品之一。此外，長期而言，小體積的GaN所需材料少於矽充電器，因此若產量提高甚至進入自動化生產階段，價格將更有明顯的競爭優勢。
生產方面，消費電子產品通常由製造商設定價格、效能與外型規格標準，快充也是如此。Yole分析師說明，GaN作為一項新技術，主要的挑戰在於價格與採用率，而這些又都受限於OEM廠商的嚴格要求與市場布局。截至2020年第二季的GaN市場持續波動(圖6)，GaN仍具突破與成長動能。Yole分析師預估，接下來的18個月內，市場會維持相似的浮動狀態，因此國際大廠如三星、華為在產品標配中採用GaN快充的規畫中激烈競爭，蘋果(Apple)可能也會加入戰局，廠商間的競爭將會大力刺激市場銷量，同時導致GaN快充產量上升且價格快速下降。
現階段的GaN快充功率以65W為主流，Stephen Oliver表示，接下來三至五年間，GaN快充的研發必然朝著功率密度更高、充電更快的方向前進，例如聯想預計在今年九至十月左右推出搭載90W電池的手機。新型態的消費者更依賴電子設備提供的工作與娛樂功能，但生活節奏加快、設備的電池容量增加，無法等待漫長時間的來完成充電，因此不斷增長的充電速度即是因應市場需求，Stephen Oliver認為未來功率GaN晶片的市場規模可達10億美元。此外，多接孔的USB-C充電器也會在產業中掀起風潮，滿足現在常見同時持有多個電子設備的消費者的充電需求。
2025年GaN市場上看七億
隨著三星、華為、小米等手機製造商規畫將GaN快充放入標配，Yole分析師觀察到GaN快充高度的市場潛力。GaN已經開始部署在超過45W的快充中，仰賴其小尺寸且高度整合的電源系統，形成高功率密度的應用。接下來三年內趨勢將指向系統單晶片及系統級封裝技術，驅動GaN在消費市場的進展，且GaN充電器的尺寸會持續縮小並伴隨成本下降。
整體而言，Yole分析師預測GaN市場在2025年會超過七億美元，2019~2025年的年均複合成長率(CAGR)則為76%，代表2025年在GaN的整體市場中，將有超過80%的占比來自消費市場(圖7)。林志彥進一步說明，GaN System在市場布局上關注的消費電子、儲能系統、資料中心、工業控制與電動車五大領域中，其中進展最快的即是消費電子市場，能在成本降低次激需求提升的前提下，快速達到量產。2021年下半年，各家廠商高階的手機/筆電型號，極有可能會將GaN充電器/變壓器納入標配規格。
除了手機配件，GaN還有其他具有商機的應用場景。Yole分析師表示，GaN的性能表現與外型尺寸帶來優勢可應用在以下幾個領域：
‧ LED驅動器：GaN架構的成本才是受到採用的主因，其裝置GaN有機會用在大於50W的高階、高功率LED驅動器中。
‧ D類音效功率放大器：國際廠商如EPC、英飛凌、GaN System瞄準此領域，在高階系統中，透過GaN提供音質、效率與外型更美觀的產品。
‧ USB牆面插座：GaN具有高效率與導熱佳的特性，無需散熱器即可用於取代傳統的牆面插座。整合性商品供應商如納微(Navitas)、Wise便透過相關產品來創造市場區隔。
GaN快充可望邁向標配市場
總結GaN快充今年快速發展的原因以及趨勢，在個人電子設備數量增加，以及各項電子產品呈現多功能、高電源需求的情境下，快速充電勢必成為商務人士，甚至一般消費大眾的重要需求。而GaN針對低功率消費電子應用所能達到的快速充電、外型輕巧且能同時為多項設備充電的特性，種種優勢讓GaN快充成為今日市場倍受矚目的產品之一，下一步極有可能往高階，甚至中階手機的標配市場前進，成為未來快充電源的主流應用。
