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快充市场明朗 磁性元件厂商如何抓机遇
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快充市场明朗 磁性元件厂商如何抓机遇

2021-04-02 16:50:22 来源:电子变压器与电感网 作者:陈泽香 点击:2200

【哔哥哔特导读】快充是目前唯一能提高充电效率,延长续航时间的方式,在近几年发展迅速。本期《对话》将围绕快充技术难点与磁性元件在快充上的应用情况等话题展开

编者按:当今社会,人们对智能手机的依赖越来越强,因此,越发看重手机的续航能力。而要延长智能手机的续航时间,要么选择增大手机电池容量,要么选择提高充电效率,缩短充电时间。但是,由于目前电池技术发展的速度比不上手机发展的速度,手机厂商便将目光放在提高充电效率,缩短充电时间上,这也进一步促进了快充的发展。

《磁性元件与电源》记者通过前期的调研与采访发现,国内多家磁性元件厂商、快充厂商、电源厂商都表示看到了快充市场未来的发展前景。目前市面上一些低功率的充电器已经逐步淘汰,取而代之的是充电效率更高的快充。东莞市奥海科技股份有限公司、江门市尚品科技科技研发电子有限公司等企业也表示已经组建了研发团队,研究当前快充中备受人们关注的平面变压器、氮化镓材料等,以便更好地抓住机遇,步入快充市场。

然而,快充未来技术提升的空间又在哪里?磁性元件厂商在快充市场中又该往哪些方向努力来抓住机遇呢?带着这些疑问,本期《磁性元件与电源》下设《对话》栏目,邀请上游磁性元件厂商与下游快充厂商、电源厂商等国内多家快充产业链上知名企业代表,围绕快充未来市场、技术难点与磁性元件在快充上的应用情况等话题展开对话,为行业从业者进一步了解快充行业生态提供力所能及的点拨。

对话导览:

1. 目前快充主流解决方案是什么?对磁性元件有何要求?磁性元件厂商如何满足这些要求?

2. 氮化镓材料应用在快充上的优劣势?

3. 快充未来的技术提升空间在哪些方面?从磁性元件厂商角度出发,如何满足快充技术提升的需求?

4. 磁性元件成本控制问题?

5. 部分电源设计方案不适合自动化生产,如何解决?

6. 磁性元件在快充领域的国产替代情况如何?

近两年,氮化镓材料越来越多地应用在快充领域

近两年,氮化镓材料越来越多地应用在快充领域(图源网络)

对话嘉宾:

对话嘉宾

目前快充主流解决方案是什么?对磁性元件有何要求?磁性元件厂商如何满足这些要求?

奥海科技郭修根:充电速度加快,意味着快充功率加大,一个传统的做法就是把开关频率加大,对变压器磁性材料的要求就提高了,需要用到一些高频的磁性材料。此外,要做到更高的功率密度,需要降低变压器磁芯的损耗,磁性元件会往高频化、低损耗方向发展。

欧陆通林代永:部分磁性元件厂商会选择用效率高、小体积、一致性好的平面变压器来代替传统变压器。但要注意的是,平面变压器在工艺、安规方面会有更高的要求。

尚品科技王以俭:快充对磁性元件的效率与性能要求比较高。我们磁性元件的设计是一种内嵌的包覆式结构,相当于一个特殊的安防结构,使得磁芯大于PCB。这个结构是磁性元件拥有更好的性能的核心技术所在,也是我们公司生产的磁性元件的重要优势。而在效率上面,我们设计的平面变压器已经基本和传统变压器是一样的,达到90%以上。

瑞硕电子刘清伟:对材质的要求不断提升,以变压器为例,以往是PC40、PC44就可以了,现在则采用95、96材,包括一些骨架、磁性材料、磁芯的选择也会有所提升。

嘉裕电子唐高登:对磁性元件厂商来说,很大可能会从传统变压器向平面变压器发展。传统变压器产线所需人力比较多,平面变压器因其自动化程度高,产能弹性更为灵活,能更好地适应市场的需要。

恒瑞磁电李东方:目前一体成型电感在快充上的应用不多,但我觉得也是可以应用上去,加快充电速度。如果是选用铁氧体磁芯,就要求Bs值高,既要饱和磁通密度高,也要损耗低,才能提高磁性元件的功率,同时Bs值随着温度的升高,效率就会降低,影响磁性元件的性能,所以对其温度稳定性也有一定的要求。目前来说,传统变压器和平面变压器都有应用在快充领域上,不过相较而言,平板变压器采用扁平线,体积更小,效率更高一些。

柔性磁电余自晶:基本上一个快充只需搭配一块电子变压器。快充要求磁性元件效率高、体积小,平面变压器相比传统变压器更为符合这一要求与趋势。

久利科技李永红:一般情况下一个主电子变压器就够了,另外还需要差模电感、共模电感、滤波电感等。目前市面上主流的快充,用平面变压器比较多,并且结合使用如DMR50等工作频率在300KHZ以上的新型磁性材料,利用提高电路工作频率从而达到减小体积和优化成本的目的。

海光电子欧阳顺昌:快充一般需要一个主电子变压器,并根据设计方案增加一两个普通的电感器。最主要的是选材上会使用高频材料来满足快充功率高,充电速度快的要求;结构方面,快充所需的磁芯是具有特殊结构的,需要根据客户的需求制定不同的结构;此外,针对磁性元件的稳定性、安全性都会有相应的指标要求。

三盛源袁永华:目前,快充里面只需要一个主的电子变压器。因其充电功率大,所需的磁性元件功率也要大,同时体积也往轻薄化、小型化的方向走。快充领域应用平面变压器会成为一个趋势。

航嘉驰源多款快充产品

航嘉驰源多款快充产品(图源航嘉驰源官网)

氮化镓材料应用在快充上的优劣势?

航嘉驰源肖远志:因为氮化镓能很大程度的提高效率,减少体积,现在没有大规模推广,主要是成本比较高。

罗马仕廖青松:氮化镓的开关速度快很多,耐高温高压,相同尺寸下能够实现高出三倍的功率,在同功率下大大减小体积,目前因生产技术所限成本比较高,但随着技术的提升后面成本应该会越来越低。

奥海科技郭修根:氮化镓的优势是在于它能够实现更高的效率、更小的体积,目前基本是一些追求小型化,高效率的产品会开始采用氮化镓。但是氮化镓的成本非常之高,可能比传统的硅器件贵3到5倍。其次氮化镓的产业链还没有硅器件这么成熟,现阶段无法大规模量产。所以从成本以及大规模生产的角度考量的话,还是会采用传统的硅器件。

最近,我们也有推出几款氮化镓快充,因为氮化镓确实有其优势,但其市场潜力还有待考察。可能几年后,产业链相对成熟,且经过市场大批量验证之后,其品质水平达到甚至超过硅器件,这是现在还无法预估的,拭目以待吧。

欧陆通林代永:氮化镓的优缺点都很明显。优点主要体现在体积小效率高,但在辐射传导、EMI方面的技术要求更高,这也是导致目前氮化镓充电器的成本更高的部分原因。就单个消费者来讲的话,会综合考虑外观、体积、充电性能等因素,在价格上可能还不是很明显。但如果是批量化生产,成本方面的压力就会比较大。

尚品科技王以俭:目前,氮化镓快充增长的速度是很快的,我们公司采取的模式是和氮化镓厂商共同合作开发,从源头去做这个产品的原创设计,已成功开发几款产品,正在推向市场。氮化镓的优势是很明显的,因为氮化镓的运用可以使整个快充的体积都变得很小,很符合消费者对快充体积小型化追求。我们最近做的一款超薄饼干充电器产品,就是应用氮化镓材料才达到“超薄”的效果。劣势是氮化镓在快充领域是一个相对比较新的或者说相对前沿的东西,且价格比较高,所以许多中小型企业还是处在观望的过程中。

久利科技李永红:氮化镓是最近这几年磁性元件厂商才开始尝试和研究的新型材料。但基本还是处在一个实验或者说测试的阶段,因为任何材料在大规模推广之前肯定要先经过一系列的测试,及时发现并解决一些潜在的隐患和问题。个人觉得未来氮化镓可能会有大规模的应用,但这还需要较长时间来验证。

三盛源袁永华:应用氮化镓主要是有利于快充频率的提高,体积的缩小。因为体积的缩小,一些相关的材料所需成本就会减少,但是总体来说,氮化镓高频工作下容易产生辐射,对滤波的效果要求更严,这一定程度上又提高整个解决方案的成本。

快充未来的技术提升空间在哪些方面?从磁性元件厂商角度出发,如何满足快充技术提升的需求?

尚品科技王以俭:氮化镓应用在快充领域大概有三年时间了。这三年来我觉得其技术工艺更加成熟,生产量也在逐步提升,性能上也有了突破。

奥海科技郭修根:为了满足快速充电的需要,以及消费者携带的便携性,快充会往大功率和小型化方向发展。未来技术提升除了我们先前提到的氮化镓,还有采用一些新的磁性材料。此外,在产品的解决方案上,比如采用灌胶工艺、新的IC拓扑方案的出现等多个方面、多个维度共同发力,实现快充技术上的提升。

罗马仕廖青松:我认为接下来快充技术提升空间主要电池技术方面,就拿小米10至尊版来说,120W充电功率已到瓶颈,电池只能短时间承受这个功率,4-5分钟温度就会超高,要降功率,且高倍率充电对电池的循环寿命影响是比较大的。

瑞硕电子刘清伟:国内的磁性元件厂商生产的磁性元件,性能和品质已经能够满足快充的需求。但如果考虑到变压器的使用寿命,或许可以在工艺上,将水性漆代替油漆。总体来看,磁性元件上的改变不会太多,更多的提升空间来自于整体解决方案上。

嘉裕电子唐高登:现在65W基本能满足消费者的需求了,未来时间上再缩短的意义不太大。我认为接下来快充的重点在于其产品品质和性能的稳定性,快充厂商对磁性元件厂商在这方面的要求也越来越高。磁性元件厂商应该从产品方案的设计、生产设备的使用、材料的选择、品质标准的制定以及生产队伍的专业性上,尽可能地满足客户的需求。

恒瑞磁电李东方:我觉得未来快充技术的提升离不开设计。如果将来充电器一直往小型化这个方向走,可能会从制成工艺上,如绕线方式等去提升,但功率方面相对就比较难提升。如何在消费者接受的体积范围之内尽量扩大体积,增加截面积,那么功耗就能降低,Bs 值提高,功率就能提升了。

柔性磁电余自晶:目前65W的快充已经基本能够满足消费者的需求,但是我觉得快充未来还是会一直追求更高的功率,以适应消费者特殊场景中的应用,比如出差过程中只有短暂的充电时间,这时候就需要更短的时间,更高的充电功率。

久利科技李永红:快充将来的发展的重点还是集中在功率的提升,达到更高性价比的目的。从磁性元件厂商的角度来看,我们未来的发展方向主要还是新型材料、新技术和新工艺的应用,比如选择一些高频段低功耗的磁性材料,大量应用平面和PCB变压器的制作工艺,在同等或更小体积下,实现更高功率,提升产品性价比。目前华为系是国内快充领域具有前瞻性和技术标杆的厂商之一,我们也会按照行业最优秀的快充厂商的标准来要求自己。

三盛源袁永华:从技术上面来说可能磁性元件在这方面变化不大。因为技术上的变革,离不开电路上的控制,而这主要是由芯片、功率器件、mos管等实现,所以以后快充要技术提升,大概率也是因为这些方面有了突破性的进展。

奥海科技推出20W Type-C  PD充电器

奥海科技推出20W Type-C  PD充电器(图源奥海科技官网)

欧陆通林代永:近来原材料价格上涨对磁性元件厂商、快充厂商有何压力,磁性元件厂商如何控制成本?

尚品科技王以俭:由于我们的平面变压器采取包裹式的结构, PCB体积是非常小,而PCB以往成本比较高,缩小体积之后,我们同时也提高其性能,使得磁性元件总体成本降低,性价比更高。此外,平面变压器更适应自动化潮流,原本需要用十几个人绕线,现在只需要用一块PCB就能组合完成,不仅能降低人工成本方面的压力,也能保证产品的一致性。目前我们公司已经设计出了一条全自动化的产线。

恒瑞磁电李东方:因为现在原材料上涨,所以磁性元件的价格也在上涨。但我们更多是从提高自动化,减少人工成本的角度去控制成本。现在我们公司都是通过购买、研发自动化设备,增加自动化生产线,来达到降低人工成本的目的。

久利科技李永红:成本主要在材料和人工两方面占比最大,我们对磁性材料的品质要求极其严格,主流供应商均为行业一线品牌,降本空间相对较小,所以主要的工作集中在大规模实行机械化、自动化,跟自动化设备厂商联合开发生产设备和自动生产线,从而减少人工占比。以前传统变压器所需人力比较多,人工成本可占到40%-50%。现在采用平板变压器并结合自动化生产的方式,虽然材料成本会有所上升,但人工成本占比可控制在15%以下,总成本可下降10%以上。

瑞硕电子刘清伟:部分电源设计方案不适合自动化生产,如何解决?

尚品科技王以俭:我们会和上下游厂商共同组成一个团队共同运转项目,从产品的立项到最后的生产销售是同步进行,实现无缝对接。因为所有人都有参与每一个流程,所以都清楚彼此间的需求,并共同去满足。未来,我们也会加强和上下游厂商的联系与合作,更好地发挥我们产业链上每个厂商的优势。比如说设计公司要考虑如何设计方案,我们磁性元件厂商要考虑磁性元件的特性,整个PCB的结构如何满足IC厂商的要求等,形成一个最好的搭配。

恒瑞磁电李东方:因为整体解决方案还会考虑到手机的型号,涉及的面比较多,可能是一开始比较难找到合适的设计方案。我们目前还没有遇到这种情况,因为都是提前和他们沟通,把我们的需求与自动化能力提出来,这样他们前期的设计方案我们后期才能真正执行。

柔性磁电余自晶:磁性元件目前难以自动化生产的难点主要有三点。一是没有专业的熟悉磁性元件参数、性能的设计工程师,方案只是从消费者的角度及他们原先熟悉的如传统变压器来设计,二是板厂的配合加工不到位,三是后期的组装。不过目前后期的组装问题磁性元件厂商基本已经解决了,所以着重解决好前两个问题,就能更好推动磁性元件的自动化生产。

久利科技李永红:确实是存在这种情况,因为磁性元件厂商传统甚至普遍的做法是根据客户研发的方案和要求去制作,极少有器件厂商独立设计的产品,但我们公司长期以来一直坚持我们的研发工程师与客户的工程师直接对接,在新产品开发设计的初期就介入并共同讨论方案可行性;如果产品不适合自动化或者说自动化实现有困难时,我们会提出相应的修改意见和建议,共同修正设计方案,使得产品的设计能够实现或大部分实现自动化生产。

海光电子欧阳顺昌:因为很多产品现在都是要求批量化生产的,数量大的情况下全凭人工手动去做是不现实的,所以现在磁性元件厂商都在走自动化生产这条道路。要实现自动化生产,我们就要在前期的方案设计阶段和电源设计厂商共同商量,保证快充性能的同时,也能满足我们磁性元件自动化生产的需求。

磁性元件在快充领域的国产替代情况?

尚品科技王以俭:国内磁性元件近十年的发展,包括结构的设计、材料的配方等都有了很大的提高。我们公司自已研发出的hpp96d的材料应用在平面变压器上,使得磁性元件实现低损耗、高效率、高性能。虽然仍有部分跟国外存在一定的差距,但从总体来说,国内磁性元件厂商基本都能满足快充的需求。

瑞硕电子刘清伟:在我们和小米合作的时候,我们也有给他们推荐许多国内的供应商。除了磁性元件,包括里面所需的磁性材料、磁芯、骨架、三层绝缘线等,我们都有向终端客户推荐国内的厂商。经过这几年的论证,国内厂商的质量是没有问题的。

恒瑞磁电李东方:从企业的烧结工艺、材料开发的稳定性和整体技术能力来讲,还是需要用到部分国外的磁性元件,但从整体市场来看,国内的磁性元件已经占据大部分了。

久利科技李永红:快充行业磁性元件的核心磁性材料基本上都是使用国产的,东磁和天通是当中比较主流的两家磁性材料厂商,至于其他材料则基本100%使用国产材料。

海光电子欧阳顺昌:可以说基本上都是用国产的磁性元件了。而且据我了解,我们磁性元件厂商在生产磁性元件这方面的技术问题基本都已经解决,是可以满足快充目前所需的技术要求的。

结语:

在电池技术还没有突破性进展之前,为了满足当今消费者对电子设备续航时间的需求,快充成为目前唯一能提高充电效率,延长续航时间的方式。从对话嘉宾的反映来看,无论是快充厂商、电源厂商还是磁性元件厂商,都认为快充是未来充电器发展的主流,未来几年快充市场明朗,保持增长趋势。

近年来,氮化镓技术的出现,一定程度上使快充得以创新 ,颠覆了以往功率越大体积越大的情况,同时满足了消费者高功率和小体积的需求。2020年,氮化镓快充增长迅速,越来越多快充厂商为提高自身产品竞争力,将氮化镓材料应用在快充上。然而,成本太高与产业链未完全成形仍是氮化镓技术现如今还没能全面推广的主要原因。未来,若是能形成完整的产业链,使生产规模化,或有望降低氮化镓快充的价格。

除了氮化镓材料,磁性元件作为快充中的重要元件,同样备受快充产业链人士的关注。从发展方向来看,对话嘉宾均提到,未来快充会往高频化、小型化、轻薄化的方向发展。因此,许多磁性元件厂商表示,平面变压器将更多地替代传统变压器应用于快充领域上,同时会选取高频材料,包裹式工艺设计等方法来满足快充未来的发展需求。

在磁性元件厂商大力推动自动化生产的当下,仍存在着设计方案不适合磁性元件自动化生产的情况,尤其在快充领域,平面变压器需求较高,而专业的、熟悉平面变压器结构、参数的电源设计工程师人才还十分紧缺。业内目前普遍的做法是,磁性元件厂商在前期就加入到方案设计的过程中,共同探讨可行的自动化方案,未来,还需加强这方面人才的培养,拓展设计工程师队伍。

据受访的磁性元件厂商代表反映,目前,在快充领域,磁性元件已基本实现了国产替代,我国磁性元件生产制造的技术水平在国际处于一个相对领先的地位。我国磁性元件厂商可积极追随目前国产替代与快充市场明朗的浪潮,根据快充未来的发展方向,调整磁性元件性能,抓住机遇。

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