摘要1、电池技术瓶颈与手机功耗提升的矛盾1.1.手机电池技术发展停滞不前回顾手机电池的发展史，1973 年，摩托罗拉生产了全球第一部手机 Dyna TAC 8000X，手机重达 1.81 斤，其中电池是

1、电池技术瓶颈与手机功耗提升的矛盾

1.1.手机电池技术发展停滞不前

回顾手机电池的发展史，1973 年，摩托罗拉生产了全球第一部手机 Dyna TAC 8000X，手机重达 1.81 斤，其中电池是最大的组成部分，由六节圆柱体镍铬电池组成，体积和重量占到了整个手机的一半，但是提供的通话时长仅为半小时，所需的充电时间则需要十个小时。

镍镉电池有容量低、寿命短等缺点，此外还具有严重的记忆效应，电池需要使用至完全没电才能进行充电，直到充满电才能继续使用，不然就会使得电池容量快速下降，由于种种缺点，也限制了手机的发展，急需新的电池技术。

1983 年，手机电池实现了首次的更新换代，镍氢电池出现，相对于镍铬电池在电池容量上有明显的提升，电池密度的增大，也使得电池体积可以大幅度减小，这一改变也使得手机更具便携性，摩托罗拉在 1996 年推出了搭载镍氢电池的 StarTAC 手机具备更加便携的外形。

在 90 年代初期，索尼研发的锂电池正式投入商用，但是由于初期锂电池价格高昂，且技术还较为不成熟，相比镍氢电池的优势不明显，因此没有得到大范围的普及，但是到了 90 年代末期，随着材料技术以及制造技术的进步，锂电池在容量提升的同时成本也持续下降，逐渐得到了市场的青睐，便携式设备也进入了锂电池时代。

如今，距离锂电池发明已经有近五十年，但是锂电池的技术在近些年来已经达到了一个瓶颈期，能量密度已经接近其物理极限。

1.2.手机性能提升随之带来功耗增长

随着智能手机功能的增加，手机的耗电量也持续上升，这对电池的续航能力造成了比较大的压力。其中手机耗电主要部件为 CPU/GPU、屏幕、蜂窝/WIFI/ 数据、sensor/BT/GPS 等几个部分。

智能手机屏幕作为内容输出以及人机交互的主要窗口，占据了整机功耗的最大部分，主要耗电部分为背光灯、触控传感器，特别是随着屏幕像素以及屏幕亮度的提升，其耗电量也是逐年增长。屏幕高分辨率带来的高耗能主要源于GPU 对成倍提升的像素点的计算量的增加。

例如当屏幕以 2560X1440（577ppi）的分辨率运行时屏幕功耗为 10.247W，相比 1280X720（144ppi）分辨率功耗高出 87.3%。

此外随着手机的更新屏幕耗电量也逐代提升，比较 iphone 6 plus 以及三星 S7 在最大显示亮度下屏幕功耗分别达到了 1.52W 和 1.45W， iPhone 6 相较于 iPhone 5 功耗高出 44.59%，三星 S7 相较于上一代三星 S6 功耗高 20.83%。

随着手机功能的丰富，对于手机 CPU 的性能要求也逐渐提升，虽然手机芯片跟随着摩尔定律的发展，从最初的单核 1GHz 的主频，发展至后来的双核、四核、六核甚至十核，不少 CPU 厂商通过简单粗暴的增加核心数来提升手机性能，但是随之而来也带来了 CPU 功耗的提升。

从苹果 A 系列芯片来看，新款 A12 芯片平均大核功耗为 3.96w 高于 A10 芯片平均功耗 3.68w；华为麒麟 980 平均大核功耗为 1.85w 高于麒麟 810 的平均功耗 1.12w；高通骁龙 855 芯片平均功耗为 1.95w 高于骁龙 835 以及 845 的 1.40w 和 1.70w。由此可以看到，随着 CPU 的更新换代，也将带来 CPU 功耗的提升。

手机通信制式的提升也会带来相应的功耗增长，以最新的 5G 手机为例，5G 手机相对于 3G、4G 手机内部采用了 Massive MIMO（大规模多入多出）天线技术，需要在手机内置至少 8 根天线，每根天线都需要配备功率放大器，这就会产生比较大的功耗，此外，在 5G 发展初期，整体网络覆盖率较低的情况下，如果使用 5G 网络，会出现手机频繁搜索信号的情况，搜索信号本身就会加速电量的消耗。

根据小米集团中国区总裁卢伟冰的表述，如果 5G 旗舰手机 5G 网络全开，功耗将会高于 4G 手机约 20%

除了通讯功能外，可以连接手机的可穿戴设备数量增多，需要手机保持蓝牙的开启状态，也需要消耗电量；还有导航以及健身等应用软件需要频繁调用 GPS 支持，这部分来自于 GPS 芯片的计算工作和加速剂陀螺仪等的支持工作功耗大概在 50mW 左右。

2.快充成为解决电量焦虑的方法之一

2.1.快充技术通过增大电流或电压实现

随着使用手机的时长不断增长，在保持手机轻薄的前提下，如何最大化增强手机的续航成为各家厂商思考的问题。其中一种方式就是加快手机的充电速度。

快充的实现方法是通过调整手机充电时的电压和电流值，从而缩短手机的充电时间，目前主流的快充方法分为三种：提高充电电压、增长充电电流、或者是在提高电压的同时增大电流。

形象的来表示快充技术，可以通过下图中，将水压代表电压，水流代表电流，水库来表示为电池，提高电压类比为提高水位差来增加水流速度，让水可以更快的从大水库流进小水库，增大电流则等效于增大水库间的水管宽度，通过的水变多加速小水库注满，使用以上任意一个或者两种方式结合都可以达到快充的效果。

2.2.充电器产业链

有线充电器即为市面上需要电源线连接设备的充电器，用来对智能终端来进行充电，主要技术原理是利用电力电子器件将交流电转换为可以对锂电池进行充电的直流电。有线充电器广泛应用于消费电子中智能手机、平板电脑以及笔记本等常见的智能终端设备，充电功率通常为 2.5W-100W 之间。有线充电器主要可以分为普通充电器以及快速充电器，普通充电器的价格相对比较便宜，但是充电速度较慢，现在消费者越来越接受具备更快充电速度的快速充电器。

有线充电器主要由塑料壳体、金属插脚、USB 接口、PCB 板、控制芯片、变压器、MOS 管、被动元件（电容、电阻、电感等）、辅材（如绝缘胶）等零部件或材料组成。

根据市场调研机构 BCC Research 于 2018 年 8 月发布的报告数据显示， 2017 年全球有线充电器市场规模为 85.49 亿美元，其中，普通充电器市场规模 68.22 亿美元，占比为 79.80%；快速充电器市场规模为 17.27 亿美元，占比为 20.20%。

目前市场上各大厂商都推出了各自的快充技术，较为主流的包括高通 QC 协议，联发科 PE 协议，OPPO、VIVO 的闪充，华为的快充技术等。

2.3.高通 Quick Charge 技术

高通作为目前智能手机 SoC 领域市占率最高的品牌，高通很早就开始发展开售充电技术 Quick Charge（QC），大部分使用高通骁龙处理的手机都使用 QC 快充，三星旗下的 Exynos 处理器也支持 QC 快充规格。

高通最早是采用低电压高电流模式，通过将电流大小提升至 2A 来增强充电功率。但是受限于当时使用的 Micro USB 接口，2A 已经达到了承受的电流上限，随后高通转向发展高电压恒定电流模式，通过增强电压来提升充电功率。直到 Type C 接口技术逐渐普及发展成熟，可以承受的电流上限提高，高电压高电流模式逐渐开始发展。

目前高通的快充技术已经发展至 QC4+版本，通过双通道充电、智能散热以及升级的安全设计等技术实现最快 15 分钟充电 50%的效果，其中双通道充电技术是指通过两个电源管理芯片将电流分成两部分，并且让电流从比较低温的通道来进行充电，这样一来在降低电池发热的同时还可以提升充电速度，QC4+版本也兼容之前发布的 QC4.0、QC3.0 以及 QC2.0 快充技术，并且还可以应用在移动电源、汽车等接口。

2.4.USB PD

USB PD（USB Power Delivery）是由 USB-IF 组织制定的一种快速充电规范，USB-PD 协议的充电器主要以 Type-C 输出，可以实现更高的电压和电流，输送功率最高可以达到 100w，并且可以自由的改变电力的输送方向。

USB-PD 的使用装置没有限定，相机、平板电脑、笔记本电脑以及显示器等产品都能使用这种充电规格，充电中装置和充电器之间会自动判断使用多大的电流充电，如果不符合 PD 规范的充电装置，则会提供 5V/0.5A 的充电速率。另外，高通在 QC4.0 之后就兼容了 USB-PD 规格，支持 QC4.0 的快充设备也支持 USB-PD 快充。

2.5.OPPO VOOC 快充

OPPO 在 2014 年推出了 VOOC 闪充，并在 2018 年推出了商用化的 SuperVOOC 超级闪充技术，也是目前市场上最快的手机充电技术。OPPO 成功也得益于其强大的研发实力，OPPO 自主研发的 VOOC 充电协议已经在全球范围内申请了超过 1000 项的核心专利。

目前 OPPO VOOC 闪充平台已经形成了 VOOC 闪充、Super VOOC 以及无线 VOOC 闪充完整的三条路径。

VOOC 4.0：采用新一代 3C 电芯和 30W 高功率版适配器，降低整个充电系统内阻的同时升级了适配器内部的功率器件，30 分钟能够将 4000mAh 容量电池充至 67%，73 分钟充至 100%。

Super VOOC2.0 峰值功率可以达到 65W，可以在半小时内将 400mAh 的电池充满，VOOC 3.0 则需要 90min 左右，传统 5V2A 的充电头则需要 120min 以上。

2.6.华为 SuperCharge

SuperCharge 是华为的私有的快充协议，被广泛应用于华为以及荣耀的主流机型上，目前最高支持 55W 的有线充电，充电规格最高为 20V/2.75A，55W 充电规格被首先应用于 mate x 系列手机，在其余旗舰机型中搭载了 40W 有线充电。

使用华为 40W 快充对 Mate 20 Pro 进行充电，半小时可以充 71%的电量， 18w 充电器只能充 36%，10w 充电器仅能充 23%。

2.7.vivo 快充

vivo 快充采用了双引擎闪充，较普通充电技术速度提升 2 倍以上。双引擎闪充技术采用了双充电芯片并联充电的方式，在进行快充的时候两颗充电电芯同时进行工作，采用双芯片架构，可以有效的提高每颗 IC 的充电效率，使充电芯片安全高效的持续转换能量给到电池，收益与每颗充电芯片的效率得到提升，手机端的整体温升也表现更好。

在 2019 年 MWC 上 vivo 更是发布了最新的超级闪充技术，最高输出可以达到 20V/6A，输出功率 120W，将 4000mAh 锂电池从 0%充至 50%只需要 5 分钟，充满至 100%只需要 13 分钟。

2.8. 小米快充 Charge Turbo

小米快充为 Charge Turbo 具备 50W(10V5A)、40W(10V4A)、30W( 10V3A)等快充规格，最新的小米 10 Pro 便采用了单电池设计的 50W 快充规格。小米旗下采用高通骁龙处理器的机型均对高通 QC 快充协议具有良好的支持，例如小米 10 Pro 便支持 QC4+和 PD3.0，而新发布的小米 10 青春版则支持全新的 Quick Charge 3+。

2.9. GaN 在快充中大有可为

GaN 是第三代半导体材料，具备导通电阻小、损耗低以及能源转换效率高等优点，能够在高温高电压的环境下运作，非常适合应用于高频高功率的元件中，由 GaN 制成的充电器还可以做到较小的体积。随着 GaN 的制程技术逐渐成熟、成本降低后，充电器产品也能够用上 GaN。

在 2019 年 10 月份，OPPO 发布了 Reno Ace 标配了 65W 超级闪充的充电器，其中就使用了 GaN 技术，OPPO 也成为了全球第一个在手机充电器中导入 GaN 技术的厂商。

在 2020 年 2 月，小米在其新品发布会上也推出了应用 GaN 技术的 65W 充电器，极大地引起了市场的关注。

以小米 65WGaN 充电器为例，氮化镓技术的使用让充电器有了更高的效率，发热更少，尤其重要的是在体积方面有了突破性进展，相比非氮化镓的 65W 充电器体积减少了 40%。此外，充电器可以兼容市面上主流的设备，包括手机、笔记本、平板电脑以及游戏机等，提供不同功率的输出，方便消费者的日常使用。

氮化镓产业链包括衬底、外延片以及器件制造等主要环节，市场上主流的氮化镓生产厂商集中在欧洲以及日本等地区。GaN 衬底主要由日本公司主导，日本住友电工市场份额达到 90%以上；生产 GaN 外延片的厂商主要为比利时 EpiGaN、日本 NTT-AT 以及英国的 IQE 等；设计厂商以美国的 EPC、Navita 以及 macom 为主；主要的代工厂包括台积电、稳懋为主，国内厂商三安集成市场份额目前还较低等。

采用 IDM 模式的公司包括日本住友电气、荷兰英飞凌、美国 PI 等公司，国内公司英诺赛科拥有非常完善的 8 英寸硅基氮化镓产业化平台，包括功率与射频两条产品线。

目前市场上可以提供氮化镓充电器中氮化镓功率芯片的公司包括 Power Integrations、纳微半导体以及英诺赛科。Power Integrations 的氮化镓技术被应用于 OPPO 发布的 SuperVOOC 氮化镓快速充电器中；小米氮化镓充电器则配备了纳微半导体的 NV6115、NV6117 GaNFast 功率芯片；英诺赛科是国内硅基氮化镓厂商，虽然整体实力与国际先进水平还存在差距，但是公司采取 IDM 模式，于 2017 年底建成了我国首条 8 英寸硅基氮化镓功率器件的量产线，未来在工艺先进性、产品覆盖面以及产能布局上有具备一定优势，未来发展前景值得期待。

根据 Yole 报告，受益于 5G 建设、快充、汽车电子、消费电子等领域的需求推动，GaN 市场将在未来保持较快速度增长，其中增长最快的将是快充市场，目前国内已经有较多厂商开始对 GaN 快充进行布局，未来随着消费者对 GaN 充电器的熟知，技术和销量提升带来成本的下降，GaN 充电器有望成为手机的标配产品，可能成为在消费电子领域中继TWS耳机的下一个爆款产品，预计到2025 年全球 GaN 快充市场将达到 600 亿元的规模。

3.无线充电是解决电量焦虑的方法之二

3.1.无线充电的优劣势

无线充电技术（Wireless Charging Technology）是利用电磁感应或其他交流感应原理来进行电力传输的技术。无线充电相对于有线充电的优点主要为：第一，传输和接收设备之间实现了电流隔离，在使用时安全性更高；第二、电力的接收装置可以实现完全的封闭，可以更方便的实现完全防水；第三，可以省去体积较大的连接器，实现接收设备的小型化，可以更好的应用于蓝牙耳机、智能手表等可穿戴设备上；第四，省去了拔插连接器的动作，在充电时更加方便。

同时无线充电也存在着一定的劣势：第一、无线传输效率较低，通常的无线充电功率低于有线充电；充电工作距离较短，传输距离越远功率损耗越大，传输效率越低。

3.2.无线充电技术路径

可以实现无线充电的技术主要为四种：电磁感应、磁场共振、微波方式以及电场耦合式，其中电磁感应是目前应用最多的技术。

电磁感应技术是市场上最为成熟的技术，原理是电流通过线圈时会产生磁场，对附近的线圈产生感应电动势进而产生电流，实现电能从传输端向接收端的转移。WPC 联盟的 Qi 标准以及 PMA 标准都是采用电磁感应式的方案，这种方式转化效率较高，但是传输距离较短仅为 10mm 左右，此外对设备的放置位置要求较高，充电过程需要对准线圈一对一进行。

3.3.无线充电市场持续增长

随着无线充电技术的逐步发展与成熟，其应用范围从初期的电动牙刷、剃须刀逐步扩展至智能手表、智能手环、智能手机、平板电脑、笔记本电脑，甚至电动汽车领域。如今，无线充电器的应用领域正随着技术的发展进步而日益广泛。

根据市场调研机构 BCC Research 于 2018 年 8 月发布的报告数据显示， 2017 年全球无线充电器市场规模为 10.58 亿美元，预计到 2022 年全球无线充电器市场规模将达到 15.64 亿美元，年复合增长率约为 8.1%。

无线充电行业已经形成完整的产业链，包括方案设计、芯片、线圈、磁性材料以及模组制造，其中方案设计以及芯片具备较高的技术壁垒，占据产业链价值量约 60%，主要被高通、TI、博通等国外企业垄断所垄断，国内企业中兴通讯、信维通信以及全志科技等技术也在逐渐进步；线圈及磁性材料价值量占比约为 30%，国内企业信维通信、硕贝德、横店东磁等都具备较高的竞争力；模组制造占比约为 10%，技术含量较低，国内厂商包括立讯精密、欣旺达、德赛电池等。