Notícias positivas para o mercado de carregamento rápido continuam surgindo: em 27 de janeiro, o relatório financeiro do primeiro trimestre de 2021 da Apple mostrou que, impulsionada pela forte demanda pelo iPhone 12, a receita do iPhone no primeiro trimestre aumentou 17% em relação ao ano anterior, atingindo o recorde de US$ 65.6 bilhões. A receita do iPad no primeiro trimestre disparou 40%. A receita do Mac reescreveu os recordes anteriores de dezembro. A Apple encomendou mais de 90 milhões de carregadores para sua cadeia de suprimentos no primeiro semestre deste ano. O analista da Apple, Ming-Chi Kuo, declarou à imprensa que a Apple provavelmente lançará de dois a três novos carregadores de nitreto de gálio quando lançar novos iPhones e MacBooks este ano, o que impulsionará diretamente o crescimento da indústria de nitreto de gálio.

A IDC prevê enormes oportunidades de crescimento para smartphones 5G em 2021, estimando que o mercado dobrará de aproximadamente 200 milhões de unidades em 2020 para 500 milhões de unidades. Xiaomi, Vivo e Huawei lançaram sucessivamente carregadores de nitreto de gálio para seus principais celulares 5G. Neste ano, embora a pandemia de COVID-19 ainda não esteja totalmente controlada, o ensino domiciliar e o trabalho remoto impulsionaram o mercado de laptops, e a demanda por carregadores de nitreto de gálio, que oferecem carregamento mais rápido, eficiente e leve, começou a crescer exponencialmente.

Este ano, o mercado de carregadores de nitreto de gálio atingiu um ponto de inflexão em seu desenvolvimento? Carregadores de nitreto de gálio de 20 W, 65 W e 100 W foram lançados um após o outro. Quais produtos de energia se tornarão os principais do mercado? Como os fabricantes de chips de nitreto de gálio ajudam os fabricantes de terminais a lançar produtos de carregamento rápido? Como está progredindo a cadeia ecológica do carregamento rápido de nitreto de gálio? Com ​​base na experiência recente do consumidor, o repórter entrevistou Li Wenhui, Diretor de Vendas da Nanos Semiconductor; Zhou Wei, Diretor de Marketing da Innosec; Zou Yanbo, Gerente de Aplicação de Produtos; e Wu Xin, Gerente de Vendas da Nitrosilicon Technology. Eles compartilharam insights sobre as últimas tendências de mercado e análises de soluções técnicas do setor.

Quando o mercado de carregadores de nitreto de gálio atingirá um ponto de inflexão?

Em 2018, a Nanovi Semiconductor lançou no mercado, pela primeira vez, o carregamento rápido com nitreto de gálio (GaN). Em 2020, colegas do setor perceberam o enorme potencial do mercado de dispositivos móveis. Mais de 100 carregadores GaNFast entraram em produção em massa. A tecnologia GaN consolidou sua presença em mercados de alta potência, como veículos elétricos, 5G, data centers e energia solar.

Em 26 de janeiro deste ano, a Navitas Semiconductor anunciou oficialmente que suas remessas de chips estabeleceram um novo recorde. A empresa entregou com sucesso mais de 13 milhões de circuitos integrados de potência de nitreto de gálio (GaN) ao mercado, alcançando zero falhas de produto, o que reflete a crescente adoção de chips de nitreto de gálio no mercado global de eletrônicos de consumo móveis para alcançar o carregamento rápido de dispositivos móveis e equipamentos relacionados.

A Innosec, de Zhuhai, China, é uma das três maiores fornecedoras mundiais de chips de nitreto de gálio à base de silício. No ano passado, a empresa enviou 4 milhões de chips de nitreto de gálio. O diretor de vendas da Innosec, Zhou Wei, afirmou em entrevista a entusiastas da eletrônica que a expectativa é de que os envios de chips de nitreto de gálio da empresa aumentem dez vezes este ano. Ele chegou a estimar, de forma otimista, que os envios globais de nitreto de gálio no ano passado se aproximaram de 15 milhões de unidades, e que este ano a previsão é de que ultrapassem 100 milhões de unidades.

Com as exigências cada vez maiores dos consumidores em relação à qualidade de vida, o mercado de carregadores enfrenta uma série de desafios. Por exemplo, os consumidores desejam carregadores mais potentes e com velocidades de carregamento mais rápidas. Ao mesmo tempo, porém, também querem carregadores compactos e elegantes, com preços acessíveis. Isso gerou diversos problemas para fabricantes e projetistas, como eficiência, temperatura, interferência eletromagnética (EMI), compatibilidade com protocolos de interface de saída, entre outros.

Como um dos materiais principais da terceira geração de semicondutores, o GaN possui três características principais: alta frequência de comutação, grande gap de energia e baixa resistência em estado ligado. Ele opera cem vezes mais rápido que a tecnologia tradicional de silício (Si) e, quando usado em carregadores rápidos de última geração, pode atingir um desempenho que supera em muito os produtos existentes, triplicando a potência de saída no mesmo tamanho.

Imagem: Li Wenhui, Diretor de Vendas da Navitas Semiconductor

Os carregadores de nitreto de gálio (GaN) enfrentam atualmente duas grandes dificuldades na promoção de mercado. Li Wenhui, diretor de vendas da Navitas Semiconductor, afirmou: "Primeiro, o carregamento rápido de GaN é um tipo de carregador novo, e a aceitação do mercado requer um certo período de adaptação; segundo, o preço dos carregadores de nitreto de gálio é mais que o dobro do preço dos carregadores tradicionais, e a redução de preços é um pré-requisito importante para a promoção desses carregadores. Em 2018, o preço de um carregador GaN de 45W era de US$ 60. No ano passado, o carregador GaN de 65W da Xiaomi chegou a 149 yuans (US$ 23), e até mesmo marcas terceirizadas chegaram a 99 yuans. Nosso objetivo é que, até o final de 2022, o preço dos carregadores GaN e dos carregadores de silício seja semelhante. Acredito que, após o preço atingir uma faixa razoável, o mercado verá a virada."

Zhou Ji, diretor de vendas da Innosec, está mais otimista. Ele acredita que o ponto de inflexão do mercado será visto em cerca de um ano. O preço dos carregadores de GaN está próximo ao dos carregadores de silício, e o ponto de inflexão chegará. A Innosec iniciou a produção em massa do INN650D 02, o circuito integrado de potência de nitreto de gálio de primeira geração, no ano passado. A segunda geração do produto deverá ser lançada no primeiro semestre deste ano. Seu desempenho foi ainda mais aprimorado. Ao mesmo tempo, um único wafer permite a fabricação de mais dispositivos, reduzindo custos e aumentando a capacidade de produção. Todas essas são garantias favoráveis ​​para o envio ao mercado.

Foto: Wu Junjun, Gerente de Vendas da Nitrosilicone Technology

Wu Junjun, gerente de vendas da Nitrogen Silicon Technology, disse a repórteres que os carregadores de GaN devem atingir um ponto de inflexão no mercado em dois anos. Até 2023, os chips de nitreto de gálio não serão populares apenas em carregadores, mas também em adaptadores de energia, fontes de alimentação para iluminação, fontes de alimentação para TVs, etc.

Os carregadores de nitreto de gálio de 65 W tornaram-se comuns no mercado, sendo o custo e a versatilidade os dois fatores principais.

De acordo com dados de uma pesquisa com entusiastas de eletrônicos, 10 fabricantes de celulares lançaram 18 modelos de carregadores rápidos com tecnologia de nitreto de gálio em 2020. OPPO, realme, Xiaomi, Nubia, Samsung, Lenovo e ZTE entraram no mercado de carregadores rápidos com nitreto de gálio. Impulsionado por marcas de celulares e fabricantes terceirizados, o mercado de carregadores rápidos com nitreto de gálio conta com centenas de produtos de 20W a 120W, com uma grande variedade de estilos. Além disso, fabricantes de notebooks também entraram no mercado de carregadores rápidos com nitreto de gálio, especialmente modelos de alta potência de 65W ou mais. Marcas representativas incluem Lenovo, Asus, Dell e Xiaomi.

Recentemente, Li Wenhui, Diretor de Vendas da Navitas Semiconductor, declarou à imprensa: "Desde o segundo semestre do ano passado, os carregadores de GaN começaram a ser lançados em larga escala. Recebemos encomendas de 2 a 3 carregadores personalizados por mês, e o mercado de terceiros está crescendo gradualmente. Os carregadores de nitreto de gálio com especificações de 60W a 100W tornaram-se a principal opção do mercado."

A configuração de 65W para carregadores de nitreto de gálio tornou-se a mais comum. Li Wenhui analisou que isso se deve a dois fatores principais. Primeiro, Xiaomi, OPPO e Huawei lançaram sucessivamente carregadores de nitreto de gálio de 65W no mercado, e essa tendência encontrou aplicações comerciais; segundo, a potência geralmente exigida para adaptadores de laptops é de 65W, e a maioria dos novos laptops utiliza portas USB-C. Os carregadores de nitreto de gálio adotam designs de duas e três portas, incluindo a porta USB-A, o que permite carregar mais dispositivos móveis.

Ao falar sobre as mudanças no mercado de carregamento rápido, Zhou, Diretor de Vendas da Innosec, destacou que o USB PD e o Type-C trarão mudanças para os carregadores. No ano passado, o carregamento rápido via Type-C e USB PD se popularizou em notebooks. Principalmente no segundo semestre do ano passado, fabricantes de ferramentas elétricas e pequenos eletrodomésticos também começaram a utilizar o carregamento rápido USB PD. Grandes fabricantes de celulares e computadores estão se aproximando desse padrão. Além disso, o consumo de energia dos celulares 5G aumentou significativamente. A capacidade da bateria dos celulares convencionais geralmente ultrapassa 4,000 mAh. O carregador de nitreto de gálio de 65W consegue uma carga completa em 45 minutos e atinge 20% a 30% em 10 minutos, resolvendo o problema da ansiedade de carregamento.

Imagem: Zou Yanbo, Gerente de Aplicação de Produtos da Innosec

Zou Yanbo, gerente de aplicação de produtos da Innosec, analisou que a configuração de 65W pode se tornar dominante principalmente devido à demanda de clientes e consumidores por produtos com boa relação custo-benefício. Embora o desempenho do carregamento rápido de nitreto de gálio de 100W a 200W tenha melhorado significativamente, o aumento na quantidade de placas de circuito necessárias resultaria em um aumento de tamanho e, consequentemente, em um preço muito elevado. Atualmente, essa tecnologia é utilizada principalmente para carregar laptops gamers, e a demanda não deve aumentar muito.

De acordo com os requisitos obrigatórios da State Grid, as fontes de alimentação chaveadas com potência superior a 75 W devem incluir um circuito PFC para melhorar o fator de potência e as características de carga. Carregadores de nitreto de gálio de alta potência exigem a inclusão de circuitos PFC, o que aumenta significativamente o custo da lista de materiais (BOM). No entanto, os consumidores buscam produtos com boa relação custo-benefício. Um carregador de 65 W é adequado para o carregamento universal de celulares e laptops. O custo do carregador é controlado dentro de uma faixa razoável, o que facilita a migração dos consumidores de carregadores de silício para carregadores de nitreto de gálio de nova geração.

Os chips de nitreto de gálio da Innosec têm sido usados ​​em carregamento rápido de 100 W com uma única porta USB-C, carregamento rápido de 100 W com múltiplas portas, carregamento rápido ultrafino de 65 W com uma única porta USB-C, fontes de alimentação LED de 150 W, lidar de canal duplo e outros tipos de produtos.

Imagem: Demonstração de carregamento rápido multiportas de 100 W usando o chip Innosec

Na edição online da CES 2021 deste ano, o carregador Omega, equipado com dois circuitos integrados de potência NanoVis GaNFast (NV6127), ganhou o Prêmio de Inovação. É o menor carregador de nitreto de gálio de 200 W do mundo, sendo até 66% menor que os carregadores tradicionais. Em termos de compatibilidade, é compatível com os principais fabricantes, como Apple, Samsung, Huawei, Qualcomm, OPPO e Vivo.

Figura: Mini carregador de 200 W usando chip de potência nanomicro

O gerente de vendas da Nitrogen Silicon Technology, Wu Junjun, apresentou aos repórteres a linha de produtos de carregamento rápido de 65W da empresa, incluindo o carregamento rápido mini PD de 65W, o carregamento rápido de nitreto de gálio 1A1C de 65W e o carregamento rápido de nitreto de gálio 2C1A de 65W. Dentre eles, os modelos mini single C e 1C1A de 65W são versões produzidas nacionalmente, incluindo os circuitos integrados de controle, retificação síncrona e protocolo, todos de fabricação nacional. Além disso, no segmento de alta potência de 120W, a Nitrogen Silicon solucionou com sucesso o problema de interferência de circuito da topologia PFC+LLC utilizada em carregadores rápidos de nitreto de gálio, após meses de pesquisa e desenvolvimento, e lançou uma solução de carregamento rápido de nitreto de gálio 2C1A de 120W.

No Bilibili, vimos o feedback de um consumidor:

Um jornalista apelidado de "Yijiu Wuqi" disse que, na conferência de imprensa do Xiaomi 11, não prestou muita atenção aos celulares da Xiaomi. Em vez disso, ficou profundamente impressionado com o carregador de nitreto de gálio de 65W da Xiaomi. Assim que a conferência terminou, ele foi ao site oficial para encomendar o carregador.

Ele disse que os principais problemas com os carregadores tradicionais são o tamanho, a necessidade de um carregador específico e a inconveniência de transportá-los. Ele possui vários dispositivos e espera, principalmente, poder carregá-los com um único carregador quando estiver em viagem de negócios. O carregador de nitreto de gálio de 65 W da Xiaomi tem apenas um terço do tamanho de um carregador de silício tradicional. Ele testou o carregador de nitreto de gálio de porta única da Xiaomi e ficou satisfeito com o desempenho de carregamento. Além disso, ele também testou outros carregadores de nitreto de gálio de porta dupla disponíveis no mercado e descobriu que, ao carregar dois dispositivos simultaneamente, a porta USB-A interrompia a corrente, enquanto a porta USB-C funcionava normalmente. As duas portas interferiam uma na outra. Ele também testou o carregador de nitreto de gálio de 65 W para carregar o MacBook Pro da Apple e não teve problemas para navegar na internet, assistir a vídeos e editar vídeos.

Os chips de nitreto de gálio estão em falta? A formação de uma cadeia ecológica impulsiona o mercado de carregadores.

A taxa de penetração do mercado de fontes de alimentação de GaN está aumentando gradualmente, e vários fabricantes estão implementando ativamente essa tecnologia. Embora o mercado de fontes de alimentação de GaN ainda seja relativamente pequeno em comparação com o mercado de fontes de alimentação de silício, avaliado em US$ 32.8 bilhões, a Yole prevê que o mercado de GaN crescerá 55% de 2021 a 2023, atingindo US$ 420 milhões em 2023. Atualmente, a Navitas, da Irlanda, a Power Integrations, dos Estados Unidos, e a Innosec, da China, são as três principais fornecedoras mundiais de soluções de carregamento rápido baseadas em chips de nitreto de gálio.

No último trimestre do ano passado, a escassez de chips semicondutores começou a aumentar. Entrando em 2021, a escassez na indústria de chips não parece dar sinais de arrefecimento. A falta de microcontroladores (MCUs), chips Bluetooth, chips de memória flash NOR para fones de ouvido TWS e chips automotivos está se espalhando pelo mundo. Segundo especialistas do setor, a capacidade de produção insuficiente das fábricas de 8 polegadas persistirá até o final do primeiro semestre deste ano. Para resolver o problema da capacidade de produção de forma definitiva, os fabricantes de chips só poderão migrar os pedidos de produção de 8 polegadas para a produção de 12 polegadas. Um analista taiwanês acredita que o problema global da capacidade de produção de 8 polegadas não melhorará no primeiro semestre deste ano. Para os fabricantes de chips, a quantidade de capacidade de produção que conseguirem obter das fábricas de wafers afetará diretamente o desempenho da empresa.

"Muitas fábricas de wafers aumentaram seus preços este ano e sua capacidade de produção está limitada. Especialmente este ano, carregadores de nitreto de gálio estão no mercado em grandes quantidades. Como está o fornecimento de chips de potência de nitreto de gálio?" Li Wenhui, Diretor de Vendas da Navitas Semiconductor, respondeu aos repórteres: "O chip de nitreto de gálio GaNFast, lançado pela Navitas, utiliza linhas dedicadas. A Navitas é a maior cliente da linha de produção de GaN da TSMC. Sempre tivemos uma cooperação de fornecimento de longo prazo e o prazo de entrega permanece na mesma faixa do ano passado. A Xiaomi e a OPPO estão fornecendo normalmente e os consumidores podem comprar carregadores que utilizam chips de potência de nitreto de gálio em nanoescala pelos canais habituais."

Especialistas do setor apontaram que os carregadores rápidos de nitreto de gálio (GaN) são compostos principalmente por dois componentes principais: um chip de gerenciamento de energia e um dispositivo discreto de potência. No diagrama de desmontagem, vemos que o carregador consiste em quatro partes principais: o dispositivo de potência de GaN, o chip de protocolo e o chip de controle principal, o chip retificador síncrono, além de circuitos e capacitores. Li Wenhui, Diretor de Vendas da Navitas Semiconductor, destacou que somente a cooperação entre fabricantes de chips de potência de GaN, chips de protocolo, chips de retificação síncrona e controladores principais pode impulsionar o rápido crescimento de todo o mercado de carregadores de GaN. Por exemplo, um carregador de GaN de 65W com 2A2C é equipado com 1 a 2 circuitos integrados de potência + chips de controle principal (ON Semiconductor/Xinyuan) + quatro chips de protocolo Cypress/Zhirong. Portanto, o desenvolvimento coordenado de toda a cadeia produtiva pode garantir o fornecimento e o ciclo virtuoso do mercado de carregadores de GaN.

Para alcançar um rápido desenvolvimento de chips de nitreto de gálio no futuro, garantir a capacidade de produção é um pré-requisito importante. Zhou Yi, diretor de vendas da Innosec, acredita que somente adotando o modelo IDM para integrar o projeto e a fabricação de chips e alcançar o controle total da cadeia produtiva, as empresas chinesas de chips poderão resolver os reais problemas de capacidade de produção.

Em 2018, a capacidade de produção da fábrica de wafers de 8 polegadas da Innosec em Zhuhai atingiu 4,000 wafers por mês. A partir de 2018, a Innosec planejou a construção de uma fábrica de wafers em maior escala. Em 19 de setembro de 2020, a terceira geração da base de semicondutores da Innosec em Suzhou realizou uma cerimônia de instalação de equipamentos. A expectativa é atingir uma produção mensal de 65,000 wafers de nitreto de gálio de 8 polegadas baseados em silício após a entrada em operação plena. A linha de produtos da empresa abrange uma gama completa de chips de nitreto de gálio de 30V a 650V. Os produtos fornecerão componentes eletrônicos essenciais para a inovação e o desenvolvimento independentes de indústrias estratégicas emergentes, como comunicações móveis 5G, data centers, veículos de nova energia, direção autônoma e carregamento rápido de celulares.

O rápido desenvolvimento da Innosec também levou à abertura da cadeia de produção nacional de chips de nitreto de gálio e periféricos. Ao desmontar um carregador GaN de 20W da Innosec, descobrimos que o chip de protocolo é da Huinengtai e o chip de controle da Nanxin Semiconductor. Com a entrada contínua de fabricantes nacionais, a cadeia produtiva nacional de nitreto de gálio se consolidou gradualmente, permitindo o fornecimento em larga escala com garantia de qualidade. Zhou revelou que mais de 40 parceiros da Innosec já produzem carregadores de nitreto de gálio em massa. Nos próximos dois anos, o volume de produtos de nitreto de gálio de baixa tensão aumentará gradualmente. Além de carregadores, os chips de nitreto de gálio também expandiram suas aplicações para os setores industrial, de data centers de inteligência artificial e de lidar.

Atualmente, o GaN nacional é basicamente de baixo consumo de energia, principalmente por dois motivos: primeiro, o processo de fabricação do GaN apresenta um alto nível de complexidade e a tecnologia ainda não está totalmente madura; segundo, o circuito integrado de gerenciamento de energia precisa ser redesenhado, e as soluções anteriores não podem ser replicadas. Existem muitas startups nacionais envolvidas, mas resta saber quais delas conseguirão realmente se destacar no mercado. O GaN utiliza materiais heteroepitaxiais, o que impõe grandes desafios nos processos de projeto e fabricação. Há pouquíssimas linhas de produção em massa de GaN em escala industrial no mundo.

O custo dos carregadores de GaN é o dobro do dos carregadores tradicionais, mas está diminuindo a uma taxa de 20% a 30% ao ano. Acredito que, à medida que mais fabricantes de celulares, como Apple, Huawei e Xiaomi, anunciarem carregadores de nitreto de gálio como padrão, o mercado verá novas oportunidades de desenvolvimento. Fabricantes com forte capacidade de design, conhecimento técnico e produção de GaN poderão ocupar uma posição vantajosa neste mercado altamente competitivo.

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