Las buenas noticias para el mercado de carga rápida llegan constantemente al mercado: el 27 de enero, el último informe financiero del primer trimestre de 2021 de Apple mostró que, impulsados ​​por la fuerte demanda del iPhone 12, los ingresos del iPhone en el primer trimestre aumentaron un 17% interanual hasta un récord de 65.6 millones de dólares. Los ingresos del iPad en el primer trimestre se dispararon un 40%. Los ingresos de Mac han reescrito los récords anteriores de diciembre. Apple ha realizado pedidos de más de 90 millones de teléfonos móviles de la cadena de suministro en la primera mitad de este año. El analista de Apple, Ming-Chi Kuo, dijo a los medios que es probable que Apple lance 2 o 3 nuevos cargadores de nitruro de galio cuando lance los nuevos iPhones y MacBooks este año, lo que se convertirá directamente en el motor de crecimiento para el despegue de la cadena de la industria del nitruro de galio.

IDC predice que habrá grandes oportunidades de crecimiento para los smartphones 5G en 2021, y pronostica que el mercado se duplicará, pasando de aproximadamente 200 millones de unidades en 2020 a 500 millones. Xiaomi, Vivo y Huawei han lanzado sucesivamente cargadores de nitruro de galio para sus teléfonos móviles insignia 5G. Este año, si bien la epidemia de COVID-19 aún no se ha controlado por completo, la educación en casa y el trabajo en línea han impulsado el crecimiento del mercado de portátiles, y la demanda de cargadores de nitruro de galio, que ofrecen una carga más rápida, eficiente y ligera, ha comenzado a dispararse.

¿Ha marcado un punto de inflexión en el mercado de cargadores de nitruro de galio este año? Se han lanzado sucesivamente cargadores de nitruro de galio de 20 W, 65 W y 100 W. ¿Qué productos de alimentación se convertirán en la norma en el mercado? ¿Cómo ayudan los fabricantes de chips de nitruro de galio a los fabricantes de terminales a lanzar productos de carga rápida? ¿Cómo está progresando la cadena ecológica de carga rápida de nitruro de galio? Basándose en la experiencia más reciente del consumidor, el reportero entrevistó a Li Wenhui, director de ventas de Nanos Semiconductor; Zhou Wei, director de marketing de Innosec; Zou Yanbo, gerente de aplicaciones de producto; y Wu Xin, gerente de ventas de Nitrosilicon Technology. Ellos aportaron información sobre las últimas tendencias del mercado y análisis de soluciones técnicas en la industria.

¿Cuándo alcanzará el mercado de cargadores de nitruro de galio un punto de inflexión?

En 2018, Nanovi Semiconductor introdujo por primera vez en el mercado la carga rápida con nitruro de galio (GaN). En 2020, los expertos del sector constataron el enorme potencial del mercado de dispositivos móviles. Se han lanzado al mercado más de 100 cargadores GaNFast para su producción en masa. La tecnología GaN se ha introducido en mercados de alta potencia como los vehículos eléctricos, el 5G, los centros de datos y la energía solar.

El 26 de enero de este año, Navitas Semiconductor anunció oficialmente que sus envíos de chips han alcanzado un nuevo récord. Ha entregado con éxito más de 13 millones de circuitos integrados de potencia de nitruro de galio (GaN) al mercado, sin lograr fallos en los productos, lo que refleja que el mercado global de electrónica de consumo móvil está acelerando la adopción de chips de nitruro de galio para lograr la carga rápida de dispositivos móviles y equipos relacionados.

Innosec, con sede en Zhuhai, China, es uno de los tres principales proveedores mundiales de chips de potencia de nitruro de galio basados ​​en silicio. El año pasado, envió 4 millones de chips de nitruro de galio. El director de ventas de Innosec, Zhou Wei, declaró en una entrevista con expertos en electrónica que se espera que los envíos de chips de nitruro de galio de la compañía se multipliquen por diez este año. Incluso estimó, con optimismo, que el año pasado los envíos mundiales de nitruro de galio rondaron los 15 millones de unidades, y que este año superarán los 100 millones.

A medida que los consumidores exigen mayor calidad de vida, el mercado de cargadores se enfrenta a diversos retos. Por ejemplo, buscan cargadores más potentes y con velocidades de carga más rápidas. Sin embargo, al mismo tiempo, también desean cargadores compactos y elegantes, con un precio asequible. Esto ha generado numerosos problemas para fabricantes y diseñadores, como la eficiencia, la temperatura, las interferencias electromagnéticas (EMI) y la compatibilidad con el protocolo de la interfaz de salida, entre otros.

Como uno de los materiales principales de la tercera generación de semiconductores, el GaN posee tres características clave: alta frecuencia de conmutación, gran banda prohibida y baja resistencia de encendido. Funciona cien veces más rápido que la tecnología tradicional de silicio (Si) y, al utilizarse en cargadores rápidos de última generación, puede alcanzar un rendimiento muy superior al de los productos existentes y triplicar la potencia de salida en el mismo tamaño.

Imagen: Li Wenhui, Director de Ventas de Navitas Semiconductors.

Actualmente, los cargadores de nitruro de galio (GaN) presentan dos grandes dificultades para su comercialización. Li Wenhui, director de ventas de Navitas Semiconductor, afirmó: «Primero, la carga rápida GaN es un nuevo tipo de cargador, y su aceptación en el mercado requiere un periodo de adaptación; segundo, el precio de los cargadores de nitruro de galio es más del doble que el de los cargadores tradicionales, y una bajada de precios es un requisito fundamental para su promoción. En 2018, el precio de un cargador GaN de 45 W era de 60 dólares estadounidenses. El año pasado, el cargador GaN de 65 W de Xiaomi alcanzó los 149 yuanes (23 dólares estadounidenses), e incluso algunas marcas de terceros llegaron a los 99 yuanes. Nuestro objetivo es que, para finales de 2022, el precio de los cargadores GaN y los de silicio sea similar. Una vez que el precio alcance un nivel razonable, creo que se producirá un punto de inflexión en el mercado».

Zhou Ji, director de ventas de Innosec, se muestra más optimista. Cree que el punto de inflexión del mercado se verá en aproximadamente un año. El precio de los cargadores de GaN es similar al de los cargadores de silicio, y ese punto de inflexión está cerca. Innosec comenzó la producción en masa de la primera generación del circuito integrado de potencia de nitruro de galio INN650D 02 el año pasado. Se espera que la segunda generación se lance en el primer semestre de este año. Su rendimiento se ha mejorado aún más. Además, una sola oblea permite fabricar más dispositivos, lo que reduce los costos y aumenta la capacidad de producción. Todo esto representa un buen augurio para los envíos al mercado.

Imagen: Wu Junjun, gerente de ventas de Nitrosilicon Technology

Wu Junjun, gerente de ventas de Nitrogen Silicon Technology, declaró a la prensa que se espera que los cargadores de GaN alcancen un punto de inflexión en el mercado en dos años. Para 2023, los chips de nitruro de galio no solo serán populares en cargadores, sino también en adaptadores de corriente, fuentes de alimentación para iluminación, fuentes de alimentación para televisores, etc.

Los cargadores de nitruro de galio de 65 W se han convertido en la norma en el mercado, siendo el costo y la versatilidad los dos factores clave.

Según datos de una encuesta a entusiastas de la electrónica, 10 fabricantes de teléfonos móviles lanzaron 18 modelos de carga rápida de nitruro de galio en 2020. OPPO, realme, Xiaomi, Nubia, Samsung, Lenovo y ZTE se han incorporado al mercado de la carga rápida de nitruro de galio. Impulsado por las marcas de teléfonos móviles y otras marcas, este mercado cuenta con cientos de productos de carga rápida de nitruro de galio de 20 W a 120 W con una gran variedad de estilos. Además, los fabricantes de ordenadores portátiles también han entrado en este mercado, especialmente en el de alta potencia (65 W o más). Entre las marcas representativas se encuentran Lenovo, Asus, Dell y Xiaomi.

Recientemente, Li Wenhui, director de ventas de Navitas Semiconductor, declaró a la prensa: "Desde la segunda mitad del año pasado, los cargadores de GaN se han empezado a lanzar en grandes cantidades. Recibimos pedidos de entre dos y tres cargadores personalizados al mes, y el mercado de productos de terceros está creciendo gradualmente. Los cargadores de nitruro de galio con potencias de entre 60 W y 100 W se han convertido poco a poco en la opción principal del mercado".

Los cargadores de nitruro de galio de 65 W se han convertido en la configuración estándar. Li Wenhui analizó que esto se debe a dos razones principales. En primer lugar, Xiaomi, OPPO y Huawei han lanzado sucesivamente cargadores de nitruro de galio de 65 W al mercado, y esta tendencia tiene aplicaciones comerciales; en segundo lugar, el requisito de potencia general para los adaptadores de portátiles es de 65 W, y la mayoría de los portátiles nuevos utilizan puertos USB-C. Los cargadores de nitruro de galio adoptan diseños de dos y tres puertos, teniendo en cuenta el puerto USB-A, lo que permite cargar más dispositivos móviles.

Hablando sobre los cambios en el mercado de carga rápida, el director de ventas de Innosec, Zhou, señaló que USB PD y Tipo-C traerán cambios a los cargadores. El año pasado, la carga rápida Tipo-C y USB PD se popularizó en las computadoras portátiles. Especialmente en la segunda mitad del año pasado, los fabricantes de herramientas eléctricas y pequeños electrodomésticos también comenzaron a usar la carga rápida USB PD. Los principales fabricantes de teléfonos móviles y computadoras han comenzado a acercarse a este estándar. Además, el consumo de energía de los teléfonos móviles 5G ha aumentado significativamente. La capacidad de la batería de los teléfonos móviles convencionales generalmente alcanza más de 4,000 mAh. El cargador de nitruro de galio de 65 W puede lograr una carga completa en 45 minutos y puede alcanzar entre el 20 % y el 30 % en 10 minutos, resolviendo el problema de la ansiedad por la carga.

Imagen: Zou Yanbo, gerente de aplicaciones de productos de Innosec.

Zou Yanbo, gerente de aplicaciones de productos de Innosec, analizó que la configuración de 65 W podría convertirse en la más común debido a la demanda de productos económicos por parte de los clientes y consumidores. Si bien el rendimiento de la carga rápida de nitruro de galio de 100 W a 200 W ha mejorado considerablemente, el aumento en la cantidad de placas de circuito necesarias conlleva un incremento en el tamaño y el precio. Actualmente, se utiliza principalmente para cargar portátiles para juegos, y se prevé que la demanda no aumente significativamente.

Según los requisitos obligatorios de la red eléctrica estatal, las fuentes de alimentación conmutadas de más de 75 W deben incorporar un circuito PFC para mejorar el factor de potencia y las características de carga. Los cargadores de nitruro de galio de alta potencia también deben incluir circuitos PFC, lo que incrementa significativamente el coste de los materiales. Sin embargo, los consumidores buscan productos rentables. Un cargador de 65 W es adecuado para la carga universal de teléfonos móviles y ordenadores portátiles. Su precio se mantiene dentro de un rango razonable, lo que facilita la transición de los consumidores de los cargadores de silicio a los cargadores de nitruro de galio de nueva generación.

Los chips de nitruro de galio de Innosec se han utilizado en la carga rápida de un solo puerto C de 100 W, la carga rápida multipuerto de 100 W, la carga rápida ultradelgada de un solo puerto C de 65 W, fuentes de alimentación LED de 150 W, lidar de doble canal y otros tipos de productos.

Imagen: Demostración de carga rápida multipuerto de 100 W con chip Innosec.

En la feria virtual CES 2021 de este año, el cargador Omega, equipado con dos circuitos integrados de potencia NanoVis GaNFast (NV6127), ganó el Premio a la Innovación. Es el cargador de nitruro de galio de 200 W más pequeño del mundo y hasta un 66 % más pequeño que los cargadores tradicionales. En cuanto a compatibilidad, es compatible con los principales fabricantes como Apple, Samsung, Huawei, Qualcomm, OPPO y Vivo.

Figura: Minicargador de 200 W que utiliza un chip de potencia nanomicro.

Wu Junjun, gerente de ventas de Nitrogen Silicon Technology, presentó a los periodistas su serie de aplicaciones de carga rápida de 65 W, que incluye la carga rápida mini PD de 65 W, la carga rápida de nitruro de galio 1A1C de 65 W y la carga rápida de nitruro de galio 2C1A de 65 W. Entre ellas, las versiones mini C y 1C1A de 65 W son de fabricación nacional, incluyendo el circuito integrado de control, la rectificación síncrona y el circuito integrado de protocolo, todos ellos de fabricación nacional. Además, en el campo de alta potencia de 120 W, Nitrous Silicon ha resuelto con éxito el problema de interferencia de circuitos de la carga rápida de nitruro de galio con topología PFC+LLC de la industria tras varios meses de investigación de aplicaciones, y ha lanzado una solución de carga rápida de nitruro de galio 2C1A de 120 W.

En Bilibili, vimos comentarios de un consumidor:

Un periodista conocido como "Yijiu Wuqi" comentó que, durante la conferencia de prensa del Xiaomi 11, no prestó mucha atención a los teléfonos móviles de Xiaomi. En cambio, quedó profundamente impresionado por el cargador de nitruro de galio de 65 W de Xiaomi. Tan pronto como terminó la conferencia de prensa, visitó el sitio web oficial para comprar dicho cargador.

Comentó que los inconvenientes de usar cargadores tradicionales son su tamaño, la necesidad de un cargador específico y su incomodidad al transportarlos. Posee varios dispositivos y, sobre todo, desea poder cargarlos con un solo cargador durante sus viajes de negocios. El cargador de nitruro de galio de 65 W de Xiaomi tiene solo un tercio del tamaño de un cargador de silicio tradicional. Probó el cargador de nitruro de galio de un puerto de Xiaomi y quedó satisfecho con su rendimiento de carga. Además, probó otros cargadores de nitruro de galio de doble puerto disponibles en el mercado y observó que, al cargar simultáneamente, el puerto USB-A interrumpía la corriente, mientras que el puerto USB-C funcionaba con normalidad. Ambos puertos se influyen mutuamente. Asimismo, probó un cargador de nitruro de galio de 65 W para cargar su MacBook Pro de Apple y no tuvo problemas para navegar por internet, ver vídeos ni editarlos.

¿Se han agotado las existencias de chips de nitruro de galio? La formación de una cadena ecológica impulsa el dinamismo del mercado de cargadores.

La penetración en el mercado de fuentes de alimentación de GaN está aumentando gradualmente, y diversos fabricantes están implementándolas activamente. Si bien el mercado de fuentes de alimentación de GaN aún es relativamente pequeño en comparación con el mercado de fuentes de alimentación de silicio, valorado en 32.8 millones de dólares, Yole predice que crecerá un 55 % entre 2021 y 2023, alcanzando los 420 millones de dólares en 2023. Actualmente, Navitas (Irlanda), Power Integrations (Estados Unidos) e Innosec (China) son los tres principales proveedores mundiales de soluciones de carga rápida basadas en chips de nitruro de galio.

En el último trimestre del año pasado, la escasez de chips semiconductores comenzó a aumentar. Al comenzar 2021, la escasez en la industria de chips no parece mostrar signos de disminuir. La escasez de MCU, chips Bluetooth, chips NOR Flash para auriculares TWS y chips para la industria automotriz se está extendiendo por todo el mundo. Según expertos del sector, la insuficiente capacidad de producción de las fábricas de 8 pulgadas continuará hasta finales del primer semestre de este año. Para resolver de raíz el problema de la capacidad de producción, los fabricantes de chips solo pueden trasladar los pedidos de fundición de 8 pulgadas a la producción de 12 pulgadas. Un analista taiwanés cree que el problema de la capacidad de producción global de 8 pulgadas no mejorará en el primer semestre de este año. Para los fabricantes de chips posteriores, la cantidad de capacidad de producción que puedan obtener de las fábricas de obleas afectará directamente el rendimiento de la empresa.

"Muchas fábricas de obleas han aumentado sus precios este año y su capacidad de producción es limitada. Especialmente este año, los cargadores de nitruro de galio están en el mercado en grandes cantidades. ¿Cómo es el suministro de chips de potencia de nitruro de galio?" Li Wenhui, director de ventas de Navitas Semiconductor, respondió a los periodistas: "El chip de nitruro de galio GaNFast lanzado por Navitas utiliza líneas dedicadas. Navitas es el mayor cliente de la línea de producción de GaN de TSMC. Siempre hemos mantenido una cooperación de suministro a largo plazo, y el tiempo de entrega se mantiene en el mismo rango que el año pasado. Xiaomi y OPPO están suministrando con normalidad, y los consumidores pueden comprar cargadores que utilizan chips de potencia de nitruro de galio a nanoescala a través de los canales habituales."

Expertos de la industria señalaron que los productos de carga rápida de nitruro de galio incluyen principalmente dos componentes clave: un chip IC de gestión de energía y un dispositivo discreto de potencia. En el diagrama de desmontaje, se observa que el cargador consta de cuatro partes principales: dispositivo de potencia de nitruro de galio, chip de protocolo y chip de control principal, chip rectificador síncrono, así como circuitos y condensadores. Li Wenhui, director de ventas de Navitas Semiconductor, destacó que solo la cooperación entre los fabricantes de chips de potencia de nitruro de galio, chips de protocolo, chips rectificadores síncronos y controladores principales puede impulsar el rápido crecimiento del mercado de cargadores de GaN. Por ejemplo, un cargador de nitruro de galio 2A2C de 65 W está equipado con 1 o 2 circuitos integrados de potencia, chips de control principal (ON Semiconductor/Xinyuan) y cuatro chips de protocolo Cypress/Zhirong. Por lo tanto, el desarrollo coordinado de toda la cadena de valor garantiza el suministro y el ciclo virtuoso del mercado de cargadores de nitruro de galio.

Para lograr un rápido desarrollo de los chips de nitruro de galio en el futuro, garantizar la capacidad de producción es un requisito fundamental. Zhou Yi, director de ventas de Innosec, cree que solo mediante la adopción del modelo IDM, que integra el diseño y la fabricación de chips y permite un control total de la cadena de valor, las empresas chinas de chips podrán resolver los problemas reales de capacidad de producción.

En 2018, la capacidad de producción de la fábrica de obleas de 8 pulgadas de Innosec en Zhuhai alcanzó las 4,000 obleas mensuales. Desde entonces, Innosec planea construir una fábrica de obleas de mayor escala. El 19 de septiembre de 2020, se celebró la ceremonia de traslado de equipos a la base de semiconductores de tercera generación de Innosec en Suzhou. Se espera que, una vez que alcance su plena capacidad, logre una producción mensual de 2018 65,000 obleas de nitruro de galio de silicio de 8 pulgadas. La línea de productos de la compañía abarca una gama completa de chips de nitruro de galio de 30 V a 650 V. Estos productos proporcionarán componentes electrónicos esenciales para la innovación y el desarrollo independientes de industrias estratégicas emergentes como las comunicaciones móviles 5G, los centros de datos, los vehículos de nueva energía, la conducción autónoma y la carga rápida de teléfonos móviles.

El rápido desarrollo de Innosec también ha propiciado la apertura de la cadena de suministro de chips de nitruro de galio y chips periféricos nacionales. Al desmontar un cargador Innosec de 20 W con tecnología GaN, se observó que el chip de protocolo proviene de Huinengtai y el chip de control de Nanxin Semiconductor. Con la continua incorporación de fabricantes nacionales, la cadena de suministro de la industria del nitruro de galio en el país se ha consolidado gradualmente, permitiendo un suministro a gran escala y garantizando la calidad. Zhou reveló que más de 40 socios de Innosec han producido en masa cargadores de nitruro de galio. En los próximos dos años, la producción de productos de nitruro de galio de bajo voltaje aumentará progresivamente. Además de los cargadores, los chips de nitruro de galio han ampliado sus aplicaciones en el sector industrial, los centros de datos de inteligencia artificial y la tecnología lidar.

Actualmente, el GaN de fabricación nacional es básicamente de bajo consumo, principalmente por dos razones: por un lado, el umbral del proceso de fabricación de GaN es muy alto y la tecnología aún no está muy madura; por otro lado, el circuito integrado de gestión de energía también necesita ser rediseñado y las soluciones anteriores no se pueden copiar. Hay muchas empresas emergentes nacionales involucradas, pero el mercado aún está por verse quién logrará realmente abrirse camino. El GaN utiliza materiales heteroepitaxiales, lo que plantea grandes desafíos en los procesos de diseño y fabricación. Existen muy pocas líneas de producción de GaN maduras y de producción en masa en todo el mundo.

El coste de los cargadores de nitruro de galio (GaN) duplica el de los cargadores tradicionales, pero está disminuyendo a un ritmo del 20 % al 30 % anual. Creo que, a medida que más fabricantes de teléfonos móviles, como Apple, Huawei y Xiaomi, anuncien cargadores estándar de nitruro de galio, el mercado abrirá nuevas oportunidades de desarrollo. Los fabricantes con un diseño sólido, una sólida base técnica y capacidad de producción de GaN podrán posicionarse favorablemente en este mercado tan competitivo.

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