电子行业趋势热点前瞻解析系列之三：快速充电风口来临，无线充电蓄势待发

快速充电风口来临，无线充电蓄势待发 安信证券电子团队，行业趋势热点前瞻解析系列之三 首席分析师： 分析师： 孙远峰 张大印 赵 琦 张 磊 王海维 目录 1 •智能终端电源创新的必然性 2 •电源创新的主要技术路线 3 •行业布局情况 4 •行业发展空间 5 •行业相关公司 1. 智能终端电源创新的必然性 •1992年索尼成功开发出商用锂离子电池，该电池可重复充电的特性，使其迅速替代镍电池成为智能终端的源动力。相比于半个世纪来日新月异的手机更替，电池的发展非常缓慢。 •据IDC估计，5.5寸屏幕智能手机今年出货量将达5.93亿部，同比增长33%，预计2021年，可增至7.31部。手机的大屏多核发展趋势对续航能力提出了要求。 •提升续航能力最直接的方法就是给电源增容。但存在两方面问题：一是6寸以上屏幕会影像手机持握感，这决定了手机的体积上限；二是单电芯容量达到5000mAH，容易产生安全隐患，比如三星Note7爆炸事件。 行业综述 •电子设备无线化是科技界和工业界的持续追求。摆脱线缆束缚，实现自由用电的用户体验，是移动互联时代的自然需求。 •对续航能力的要求和设备“无尾化”的追求倒逼电源技术创新。无线充电、快速充电、双电芯技术作为解决方案日臻成熟，相关市场爆发在即。 行业综述 续航能力成为衡量手机性能的重要参数 资料来源：手机中国 1. 智能终端电源创新的必然性 •无线充电是指无线缆连接，利用电磁感应或耦合原理，发送端线圈连接有线电源产生电磁信号，接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流给电池充电。 •19世纪30年代，法拉第发现电磁感应现象。19世纪90年代，特斯拉凭借“特斯拉线圈”成功点亮了一盏没有连接电线的灯泡被誉为无线电能传输之父。 概念定义 •多元应用的兴起，智能终端设计的演进，推动无线充电市场的发展。智能手机端，取消3.5mm耳机接口方案，造成的充电耳机接口冲突、封闭式的防尘设计需求；可穿戴设备的防水设计需求，都凸显无线充电的必要性。 •与有线充电相比的优势：1）安全性，设备之间完全的电流隔离。2）防水性，电源接收器可实现完全封闭设计。3）便捷性，省去插头电线的插拔及切换。 应用需求 松下无线充电解决方案 资料来源：电子发烧友 无线充电应用 资料来源：电子发烧友 1. 智能终端电源创新的必然性 •快充是在短时间内通过提升充电电压或电流达到提升单位时间充电量的方式。快充三要素为充电器、电池、charge IC。 •需要一整套特定的电芯、电路、充电器、数据线及接口，要求电芯、接口能够承受较大电压或电流。 概念定义 •近年来，手机屏幕的大屏化、高分辨率化，处理器的运算速度不断提升，第三方应用不断创新，手机功耗大幅增加。对于很多用户来说，一块电池撑不到一天。快充技术的出现，虽然没能直接增加电池容量，但是缓解了手机续航不足的矛盾。 应用需求 手机充电演示图 资料来源：电子发烧友、安信证券研究中心 QC4.0+性能提升 资料来源：高通官网 充电器 将220V市电转换为12/9/5V电压 手机端IC将12/9/5V电压转化为4.4V以下供给电池 电池 接收来自手机端电源管理IC的电流 12/9/5V电压 4.4V以下电压 1. 智能终端电源创新的必然性 •单个锂电池不断扩容会导致电池内部不稳定，双电芯解决方案通过2个电池之间的串并联，有效缓解快充带给电池的压力，起到分流的效果，可以在提高电容量的同时保证电池内部温度的稳定，从而提升安全性。 概念定义 •对于现有的电池技术来说，能量密度的瓶颈使手机厂商难以在扩大电池容量的同时压缩电池体积。空间应用成为智能手机设计的一大难题。 •多电芯的设计方案在充电宝、笔记本领域早已使用，多电芯方案能够同时兼顾容量升级、轻薄化、内部空间利用、安全性，iPhone 8或将引领双电芯“革命”。 应用需求 金立M5双电芯 资料来源：手机中国 iPhone 8内部结构示意图 资料来源：泡泡网 目录 1 •智能终端电源创新的必然性 2 •电源创新的主要技术路线 3 •行业布局情况 4 •行业发展空间 5 •行业相关公司 2.1 无线充电技术路线 无线充电技术路线 •无线充电从技术原理上，可分为非放射型和放射型两种方式。 •放射型主要用于远距离无线充电，包括微波和激光的方式，一般用于大功率、直线对准式的无线充电。 •如今应用在消费电子领域主要是近距离无线充电，主流技术路线包括紧耦合感应式与松耦合谐振式两种。 •WPC（Wireless Power Consortium）成立于2008年，以紧耦合感应式无线充电为主，现已成为全球最大的无线充电组织，创建了国际无线充电标准Qi，早期参与企业主要有诺基亚、三星、LG等。 •2017年2月苹果正式加入无线充电组织之一的 WPC，掀起新一轮产业技术路线和标准之争。 无线充电标准 WPC主要成员 无线能量传输技术 资料来源：WPC 资料来源：TDK 2.1 无线充电技术路线 无线充电标准 无线充电标准 •2012年在Powermat的推动下，成立了Power Matters Alliance (PMA)，组织成员同样有Google、NXP、星巴克、AT&T等行业巨头，采用紧耦合感应式技术，与WPC形成直接对抗。 •同时，行业内的MTK和Power by Proxi等公司成立了A4WP组织，主推松耦合谐振式无线充电方案，在新的技术领域探求更为广泛的可能性。 •2015年以后，PMA与A4WP合并，目前无线充电已经演变为两大标准组织：Wireless Power Consortium (WPC)和Air-fuel alliance (AFA)。两大组织的充电标准互不兼容，未来是否会演变为赢者通吃或二者持续并存，是值得我们持续关注的问题。 资料来源：安信证券研究中心 资料来源：WPC、AirFuel，安信证券研究中心 两大无线充电标准联盟 A4WP Rezence 1.0发布 A4WP Rezence 1.1/1.2发布 A4WP 和PMA合并为AirFuel Alliance PMA Power2.0发布 2012 2013 2015 AFA发展变化图 联盟 标准 推出时间 联盟主要成员 采用技术 WPC Qi 2008年 NOKIA、三星、TI、飞利浦、HTC、索尼爱立信、华为、苹果等 紧耦合感应式 AirFuel PMA 2012年 Powermat、AT&T、Google、星巴克等 紧耦合感应式 A4WP 2012年 高通、三星、Powermat等 松耦合谐振式 2.1 无线充电技术路线 紧耦合感应式基本原理 •紧耦合感应式无线充电可以用变压器进行类比，变压器具备初级线圈、次级线圈和线圈之间的铁芯。初级线圈的交流电流产生变化的磁场，磁场沿着铁芯到达次级线圈，变化的磁场在次级线圈产生感应电流，实现次级线圈充电，即完成了“电源→初级线圈电流→磁场→次级线圈电流→负载”的能量传递。 •紧耦合感应式无线充电与变压器原理相同，可以看成变压器的简化版，移除铁芯，初级线圈和次级线圈均从三维绕线变成平面绕线。发射端与电源相连，输出频率在100~400kHz的交流电，交流电通过线圈耦合到接收端电路，接收端在充电IC的调控下实现电能储存。 紧耦合感应式基本原理 资料来源：TPUB 感应式无线充电原理 资料来源：TI 变压器工作原理 2.1 无线充电技术路线 紧耦合感应式基本原理 •无线充电系统移除铁芯之后，磁场主要通过空气传递，但是空气的磁导率远远低于铁芯，导致磁场传递效率较低，因此系统要达到合理的整体无线充电效率（在70%以上），初级线圈和次级线圈之间必须非常靠近，尽可能多的将磁场能量传递，而少部分泄露的磁场能量将转化为热能损耗掉。 •损耗掉的能量称之为漏电感，感应式无线充电必须采用近距离紧耦合。同时，发射线圈和接收线圈需要精确定位，采用相对接近的线圈尺寸，在紧贴的条件下才能实现良好的充电效果。 •紧耦合感应式无线充电的使用条件苛刻，为实现准确定位，WPC的Qi标准提出了三种定位类型。 •采用磁力对准的定位方式，发射端和接收端都配有磁铁，使用磁铁引力实现定位。 •采用活动线圈的自由定位，发射端检测到充电对象设备后，通过某一驱动装置将发射线圈移动至该位置进行充电。 •采用线圈阵列的自由定位，事先排列多个发射线圈，选择最贴近接收设备的发射线圈工作，实现高效率无线充电。 三种定位方式 磁力对准 资料来源：NXP、TDK 2.1 无线充电技术路线 相关标准进程 •两大无线充电组织的参与企业是无线充电市场发展主要推动力量，组织标准的进展情况值得持续关注。在紧耦合感应式无线充电方面，WPC和AFA两大组织均有标准支持。 •WPC组织的Qi标准，是目前市场上最受欢迎的无线充电标准，是市场上参与企业和支持产品种类最多的标准，主要参与企业包括苹果、三星、博通、高通、仙童半导体、NXP、IDT、MTK、TI、TDK等国际主流终端和芯片厂商。 •AFA组织的PMA标准，同样是紧耦合感应式无线充电，参与的主要企业有AT&T、金霸王电池、星巴克等。PMA标准的充电频段为277~357kHz，带内通信，发射端和接收端的距离在5~7mm以内，最大充电功率5W，支持金属外物检测。 •可以看出PMA标注和早期Qi标准除了在工作频段略有差异，其他技术指标相对接近，也体现了紧耦合无线充电技术路线的相似性和实现功能的雷同性。 相关标准进程 紧耦合感应式标准对比 组织 标准版本 工作频段 最大功率 距离 其他 Qi V1.0~V1.1.2 100~205kHz 5W 5~7mm以内 带内通信，支持外物检测 WPC Qi V1.2 100~205kHz 15W 5~7mm以内 带内通信，支持外物检测 Qi V1.3（开发中） 100~205kHz 待定 感应式5~7mm 谐振式45mm 增加松耦合谐振式充电，向前兼容Qi标准的V1.1和V1.2 AFA PMA 277~357kHz 5W 5~7mm以内 带内通信，支持外物检测 资料来源：WPC、AFA、安信证券研究中心 2.1 无线充电技术路线 现状及未来发展 •紧耦合感应式无线充电方案相对成熟，在目前无线充电市场的起步阶段起到了市场宣传的积极作用，但同时具有局限性： •同一发射端不能在同一时间给多个设备充电。 •发射端线圈大小和接收端线圈大小需要匹配。 •发射端和接收端必须平面贴近。 •如果只是为单一手机充电，紧耦合感应式无线充电是可接受的解决方案，经过WPC和AFA组织的持续改进和优化，已经形成了低成本、高效率的一对一无线充电产品。 •但是对于无线充电市场更广泛的普及和应用，应该有更为实用的方案，比如支持同一时间多设备充电，可以为耳机、手机、移动PC等不同尺寸不同功率的接收设备充电，能够适用于各种非平面的外形设计。 •从产品易用性和多样性角度考虑，松耦合谐振式无线充电方案或将成为未来引爆市场应用的主流。 现状及未来发展 与有线充电比较无明显优势 资料来源：MTK 2.1 无线充电技术路线 松耦合谐振式基本原理 •早在1900年代物理学家特斯拉就验证了电磁谐振可以用于能量传输。在松耦合谐振式无线充电方案中，发射端在特定谐振频率振荡，将次级线圈的谐振频率调整至和初级线圈一致，当初级线圈发射该谐振频率的能量时，次级线圈因为谐振而吸收能量，实现能量传递。 •相比于紧耦合感应式无线充电，松耦合谐振式方案具备以下特点： •初级线圈和次级线圈可以使不同尺寸。 •可以实现一对多无线充电。 •充电距离可以达到45mm以上，设备的摆放不局限于特定位置。基本上支持所有外形结构，不仅限于平面结构。 松耦合谐振式基本原理 资料来源：Arrow Electronics，安信证券研究中心 感应式与谐振式原理差别 资料来源：MTK、安信证券研究中心 松耦合无线充电原理 2.1 无线充电技术路线 相关标准进程 •PMA和A4WP合并为AFA组织之后，AFA同时具备PMA的感应式标准和A4WP的谐振式