5G手機專題報告：快充、無線充電與熱管理

1、手機電池發展遇瓶頸，5G 時代亟需“能量支持”

1.1 手機續航升級并非一路順利

每一代手機升級并不一定能提升續航能力。智能手機的發展是伴隨著信息技術的進步一起出現的。從過去的 1G 時代到目前的 5G 時代，智能手機的進步不僅體現在網速與通話清晰度的提升上，還體現在其他方面，例如，更大更清晰的屏幕讓電影與電視劇愛好者可以無時無刻享受到影視的樂趣；更快更強的手機處理器讓游戲愛好者隨時隨地沉浸在游戲的愉悅中。智能手機在逐漸成為人們生產生活的工具，人們對于手機的要求與期待也隨之增高，其中一個要求就是手機的續航時間。對此，手機廠商也一直不斷地努力，但是，并不是每一代手機的升級就能提升手機的續航時間。根據 Washington Post GadgetLab 的數據顯示（灰色機型代表 2017 年發布，藍色則代表 2018 年發布），2018 年多個機型續航能力并沒有超過 2017 年的。例如，2018 年蘋果發布的 iphone xs 在續航時間就少于 2017 年發布 iPhone 8 系列；Google 在 2018 年發布 Pixel 3 的續航時間同樣也少于 2017 年自家發布 Pixel 2 系列。目前各大手機品牌的手機續航時間都能維持 8小時以上，足以應對手機輕中度使用。

1.2 5G 將會對手機將會對手機的續航提出新的要求

首先，5G 手機將會采用 Massive MIMO 的技術以增強手機對信號的接收。目前，大部分的 5G 手機采用的是 4*4 MIMO 技術，每一根天線下方都接上相應的功率放大器以強化信號。隨著技術不斷進步，手機內部所含有的 5G 天線將會達到 8 根。屆時，手機用于信號接收的耗能將會再上一個臺階。

第二，4G 時代的移動網絡速率是 100Mps,5G 時代的網絡速率是 1Gbps，5G 的網絡速率是4G 時代的 10 倍。這意味著，手機內部的基帶芯片以及應用處理器要在同一時間處理過去 10 倍的數據。處理器的功耗隨著數據量的提升也會一起增加。

第三，5G 網絡基站在 2020 年將會開始大規模建設。但是，我國幅員遼闊，5G 網絡短時間內難以實現全面覆蓋，在全國大多數地方，5G 網絡覆蓋率還是處于較低的情況。5G手機由于首選網絡是 5G 網絡，因此，在 5G 網絡覆蓋率較低的情況下，5G 手機將會頻繁啟動信號搜索功能，增加了手機的耗能。

第四，2019 年，高通雖然發布了 SOC 版的 5G 芯片 765 和 765G, 但是在高端的應用處理上，高通依然采用外掛基帶芯片 X55 的方案。基帶外掛分離，相關的電路與電源芯片也要增加，手機內部功耗增加。

第五，萬物互聯，手機連接海量設備。手機的普及與功能的進步促使手機周邊配件出現共振。以 Airpods 為代表的 TWS 耳機由于其獨特的外觀以及非常方便的使用方式，銷售情況相當火熱。根據 Strategy Analytics，2019 年蘋果 AirPods 銷量近 6000 萬。作為一個類別，TWS 耳機銷量在 2019 年增長 200%。2020 年有望保持強勁的銷售情況。除了 TWS 耳機，還有具備輔助消費者監控身體情況的智慧手表與智慧手環也出現銷售火熱的情況。根據 Canalys 數據顯示，2019 年第三季度，全球智能手環出貨量達到 4550 萬件，同比大幅增長 65%。其中大中華地區同比增速達到 60%，市場份額占比全球的 40.2%。在信息化時代，隨著消費者對信息消費需求及要求的增加，將會有更多的智能設備伴隨著人們的生產與生活。萬物互聯，將會以手機作為中心點展開。手機作為信息數據的連接體與匯聚體，將會產生更多的能耗。

1.3 手機電量增加遭遇瓶頸

智能手機內置的鋰電池是由正極材料、電解質、隔離膜和負極材料構成。想要增加手機的續航能力，目前主要有兩種方法，一種方法是增加電池的能量密度，另一種方法是增大電池容量。

發展能量密度困難，進展緩慢。能量密度幾乎是所有電池在設計時必須考慮的首要問題。當設計的能量密度提高時，電芯則必須選擇而更薄的隔膜、材料也需要使用在極限壓實和面密度下。一方面，極限設計會讓電芯的吸液更加困難，從而影響電芯的循環性能；另一方面，更薄的隔膜鋁塑膜、更高能量密度的材料也意味著更差的安全性能。所以能量密度與電芯性能如蹺蹺板的兩端，電池生產商需要在這兩方面之間尋找平衡。此外，能量密度與鋰電池本身有很大的關系。由于目前還沒有更經濟的可以顯著提升能量密度的正負極材料，在鋰元素不變的基礎上，科研人員只有不斷更換電解液和正極材料才能勉強將電池的續航提高，每年進步的幅度只有 3%左右。然而，根據摩爾定律，集成電路的晶體管數目每隔大約 18-24 個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。手機電池續航以每年 3%左右的增長速度面對如此快的手機性能增長速度，顯得如此的渺小。所以，即使手機電池續航不斷進步，用戶依然會時常感覺手機續航的“力不從心”。

重量與空間逼近極限，增大容量倍受制約。面對增加電池能量密度受阻后，手機廠商選擇增大手機電池容量。近年來，手機廠商們對于電池容量也顯得非常“大方”。3000 多毫安的電池容量從過去的大電量已經“淪落”為小電量。最近，各大手機廠商的旗艦級手機基本都打破了 4000 毫安時的分水嶺。那這樣是不是意味著手機廠商可以無休止地增加電池容量呢？例如直接加入 5000 毫安時或 10000 毫安時的電池？

小米數字系列的電池容量從小米 1 的 1930 毫安時經過不斷的進步到達小米 9 的 3300 毫安時。其中，小米 2 手機電池容量為 2000 毫安時，小米 3 為 3050 毫安時，電池容量增加近 50%。小米 2 到小米 3 電池容量的增加是在減少手機厚度的情況下，通過采用不可拆卸電池，并增加手機尺寸，增大手機內部空間，以放入更大容量的電池實現的。然而，到了小米 9，由于手機內部集成了多個功能模塊，例如 NFC，無線充電等，手機內部空間被進一步壓縮，因此電池容量較小米 8 也出現了下降。

三星 Galaxy Note 系列在自 Note 2 增加 600 毫安時電量后，直到 Note 7 才再次出現較為激進的增加 500 毫安時電量。然而，這次激進的電量增加卻導致 Note 7 出現了多起安全事故。其原因是 Note 7 在添加了多種新穎的設計與功能后，手機內部的空間已經非常緊湊。此時再加入大容量大電池，手機內部的空間已經不足以支持對電池的保護能力。安全事故的發生導致三星對其后的 S8 系列、Note8 以及 S9 系列在電池方面都采取了比較保守的方式。直到在三星 Note9 才再次增大電量，但與此同時手機的尺寸也相應的增大了。

從小米和三星兩大手機廠商的情況可以知道，手機功能的提升會增加手機內部元器件的數量從而降低手機內部的可使用空間。如果在內部空間有限的情況下，激進地增加電池容量，則會比較容易出現安全事故。

對于手機廠商而言，可以采用增大手機尺寸以增加手機電池容量。小米手機中，小米 6和小米 8，以及三星手機中的三星 Note 8 和 Note 9，都是通過增大手機尺寸以及犧牲手機厚度以放入更大容量的電池。事實上不僅是小米和三星，就連一向對手機外觀有著極高追求的蘋果在追求更持久的手機續航時候也采用類似的方式。但是這并不意味著手機可以無休止地增加電池容量，因為通過增大手機內部空間的同時，不僅手機的尺寸在增大，手機重量也在增加。iPhone 小屏手機中，雖然 iPhone 11 的電池容量已經達到3110毫安時，但是其重量也達到了194g， 大屏手機就更是有過之而無不及， 最新的iPhone11 pro max 雖然對比 iPhone 8 plus 增加了近 50%的電量，但是手機重量也增加了 24g。手機的輕薄與便攜性也大打折扣。

總結：當前手機的電池續航已經能支持輕中度使用一天。但是，在 5G 時代，由于需要在單位時間內處理更多的數據或者實現萬物互聯等多種原因，手機的耗能將會增加，手機的續航能力將會再次面臨挑戰。手機廠商為增強手機續航能力也采取向不同的方法。由于無法找到更具性價比的材料，僅通過調節電解液和正極材料無法快速地提升電池的能量密度。受制于手機內部空間以及手機重量，考慮到安全問題，手機電池容量也無法無休止地增加。為應對 5G 時代手機的能耗問題，手機廠商需要考慮通過其他方式以延長手機的續航能力，以增加自家品牌在市場上的競爭力。

2、解決手機續航方法之一：快充

2.1 增強功率實現快速充電

鋰電池的充電分為三個階段，分別是恒流預充電、大電流恒流充電與恒壓充電。當電壓低于 3.0V 時，充電器會采用 100mA 電流對鋰電池進行預充電，這個過程叫恒流預充電階段，目的是慢慢恢復過放電的鋰電池，是一種保護措施來的。

當鋰電池電壓高于 3.0V 時，就進入到第二階段，大電流恒流充電階段。由于鋰電池經過第一階段的預充，其狀態已經比較穩定了。在第二階段，充電電流就可以適當提高，根據不同的電池來說，這個電流的大小可以從 0.1C 到幾 C 不等，其中 C 是指電池容量，如 2600mAh 的鋰電池，0.1C 就是指 260mA 大小的電流。

鋰電池充電的最后一個階段為恒壓充電階段，這個階段就是檢測到鋰電池電壓等于 4.2V時，充電器則進入恒壓充電模式，這個階段充電電壓恒定為 4.2V，充電電流則越來越小。當充電電流小于 100mA 時，就判斷電池充滿，切斷充電電路。

快速充電是發生在第二階段大電流恒流充電階段。在第一階段中，手機先以小電流進行充電，直到電壓恢復正常的水平。第一階段發揮恢復性充電的作用。在第三階段中，此時電池電壓已經達到一定的數值時，手機的電量基本在 90%左右，手機將保持電池電壓不變，逐漸減少充電電流值。如果此時維持較大的充電電流，鋰離子容易在電池負極附近堆積、長大成數枝狀的晶體，俗稱枝晶；枝晶長大后會刺破正負極之間的隔膜，形成短路。因此為了電池的安全，在充電的后半段充電電流會很小。所以，要實現快充只能在第二階段。

要實現快速充電就必須提高充電的功率，根據物理學公式，功率=電壓×電流，提升充電功率有三種方式：電流不變，提升電壓；電壓不變，提高電流；電壓、電流兩者都提高。

1、高電壓恒定電流模式：一般手機的充電過程是，先將 220V 電壓降至 5V 充電器電壓，5V 充電器電壓再降到 4.2V 電池電壓。整個充電過程中，如果增大電壓，產生熱能，所以充電時，充電器會發熱，手機也會發熱。而且這樣功耗越大，對電池損害也是越大的。

2、低電壓高電流模式：在電壓一定的情況下，增加電流，可以使用并聯電路的方式進行分流，恒定電壓下，進行并聯分流之后每個電路所分擔的壓力越小，在手機中也進行同樣處理的話，這個每條電路所承受的壓力也就越小。

3、高電壓高電流模式：這種方式同時增大電流與電壓，這種方式是增大功率最好的辦法，但增大電壓的同時會產生更多的熱能，這樣其中所消耗的能量也是越多，并且電壓與電流不是無限制的隨意增大。

目前市面上主流的快充技術：

1、高通 Quick Charge (QC 充電技術)

目前高通以及推出了 QC 4.0 快充技術。高通 Quick Charge 1.0 技術最高支持 10W 的充電功率。按照 10W 的充電功率，手機的充電時間還是比較長的。在 QC 1.0 的基礎上，高通開發出 QC 2.0 技術。在 Quick Charge v2.0 中，設計了兩種方案，即 A 類和 B 類。A 類可以提供輸出 5V、9V、12V 三種電壓。通過提高電壓的方式，讓電源適配器能夠提供更多的電量給到手機終端。根據高通給出的數據，Quick Charge 2.0 A 級標準規定的最大充電電流為 2A，因此，QC 2.0 最高可以實現 24W 的充電功率。

但是 QC 2.0 在實踐過程中存在一些問題，例如發熱。QC 2.0 在以 9V/12V 電壓快充時，電池兩端電壓與 DC/DC 轉換電路的輸入輸出電壓差值較大，因而功耗比較嚴重從而帶來了手機發熱的問題。因此高通開發出 QC 3.0 技術。QC 3.0 則支持 3.6v-12V 的波動電壓，在 2A 電流下可以支持 24W 的功率，若采用 3A 電流，則可以提供 36W 的功率。QC 3.0 最大的改進，則是將“固定電壓”管理機制替換為“INOV（最佳電壓協商）”允許輸入電壓從 3.6V 起步，以 0.2V 為單位，結合實時的電池溫度、轉換效率、電量等因素進行微調，并在允許的輸入電壓范圍內逐步提升或降低，改進了 QC2.0 時代的“非一即二”簡單選擇。在“INOV”管理機制的幫助下，QC 3.0 可大大降低 DC/DC 轉換電路的損耗，從而緩解快充時的發熱問題。根據高通的數據顯示，QC3.0 充電效率比 QC1.0提高 1 倍，比 QC2.0 的提高了 38%，是普通充電技術的 4 倍，充電速度提升27%，發熱降低 45%。能在大約 35 分鐘內將一部典型的手機從零電量充電到80%

2016 年，高通發布 QC 4.0 技術。QC 4.0 再次提升功率至 28W，并且加入 USB PD 支持。取消了 12V 電壓檔， 5V 最大可輸出 5.6A， 9V 最大可輸出 3A，并且電壓檔繼續細分以 20mV為一檔。QC4.0 相較 QC3.0，新增了一項名為 Dual Charge 的技術，使充電速度可提升20%，效率則能提升 30%。此外，QC4.0 還對“INOV”算法進行了優化，能更準確地測量電壓、電流和溫度的同時，保護電池、系統、線纜和連接器。防止電池過度充電，并在每個充電周期調節電流。

2、OPPO VOOC 充電技術

OPPO 的 VOOC 充電技術最早誕生于 2014 年，VOOC 選擇的是保持電壓不變，通過加大電流的方式提升充電速度。OPPO 在 VOOC 充電技術平臺的基礎上，開發出 Super VOOC 充電技術。Super VOOC 一大特點就是采用了串聯雙電芯的設計，根據串聯分壓的原理，在適配器端輸出的高電壓加載到電芯上，每塊電芯上的電壓只有輸出電壓的一半。SuperVOOC 10V 5A 的充電器，相當于在分別用 5V 4A 左右的 VOOC 方案為手機的兩塊電池同時充電，直接的就把充電時間減半了。2019 年 10 月，oppo 發布搭載 Super VOOC 2.0 的Reno ACE。根據 OPPO 介紹，Super VOOC 2.0 最高可以實現 65W 的充電功率，可以在 30分鐘之內，充滿一臺 4000mAh 電池的手機。

由于 Reno Ace 的充放電過程相比一般手機來說是要更加復雜的，這也意味著在充電時需要更多的電源芯片來進行管理。為此 Reno Ace 在整個充電管理過程中使用了 5 顆定制芯片，包括 VCU 智能控制芯片、AC/DC 控制電流與電壓、MCU 充電管理芯片、BMS 電池管理芯片和定制協議芯片，從適配器到充電線再到手機，三者共同形成了 SuperVOOC 2.0的充電協議閉環。除了 Super VOOC 2.0 外，OPPO 還有最新升級的 VOOC4.0 技術，在 30分鐘可將 4000mAh 電池充到 67%， 73 分鐘可充滿。相比前代技術，充電時間上縮短了 12%。同時，進一步優化了 VFC 算法，縮短了最后 10%電量所需的充電時間。此外，VOOC 4.0通過定制的 30W 高功率版適配器，以及使用 3C 電芯降低整個充電系統硬件的內阻。

2.2 PD 協議脫穎而出，加速快充推廣

快充方案百花齊放，但各自為政。當快充的原理被深入探索后，無論是手機廠商還是手機芯片方案供應商都提出了自家的快充方案，主要原因有兩方面：一方面是各品牌手機都添加了部分具有特色的技術或功能。這些技術和功能可能導致手機內部具有一些特殊的元器件。這些特殊的元器件能夠承受的電壓電流不一樣，為保證自家產品的質量與安全性，手機廠商開發出適用于自身的快充方案。另一方面是，手機廠商或通過建立獨家的快充技術，增強用戶體驗感，樹立自身品牌競爭力。正是由于以上原因，市面上出現了多種快充方案，而且這些快充方案僅能適用于自家的品牌或方案，使用別家的快充充電器可能最終只表現出普通充電的速度。根據工信部數據顯示，截至 2018 年 12 月，中國移動電話用戶普及率達到 112.2 部/百人，這意味著在部分發達地區，部分消費者配備了兩部手機。當這兩部手機來源于不同品牌時，用戶出門遠行可能就需要攜帶兩個充電適配器，以實現對兩部手機的快充，而這嚴重影響了消費者的用戶體驗。

PD 協議有望統一標準，加速快充推廣。PD 充電協議是由 USB-IF 組織制定的功率傳輸協議， USB-PD 透過 USB 電纜和連接器增加電力輸送，擴展 USB 應用中的電纜總線供電能力。 USB-PD 快充協議是以 Type-C 接口輸出的。 Type-C 接口默認最大支持 15W (5V/3A)，在實現了 USB-PD 協議以后，可實現更高的電壓和電流，能夠使輸出功率最大支持到100W (20V/5A)，并可以自由的改變電力的輸送方向。由于目前手機快充市場混亂， USB-PB既可以提高高功率充電，也能通過 PPS 規范實現對電壓的的精準調節，所以為了統一快充市場，增強安卓手機的用戶體驗，谷歌宣布 Android7.0 以上的手機搭載的快充協議必須支持 PD 協議。目前，在 USB-IF 發布的 PPS（快速充電技術規范）里，USB-PD3.0協議已經包含了高通 QC3.0 與 4.0，華為的 SCP 與 FCP， MTK 的 PE3.0 與 PE2.0，還有 OPPO的 VOOC。

不僅是安卓陣營，蘋果也采用了 USB-PD 快充協議。早在 2017 年蘋果發布的 iPhone 8系列中就已經加入了 USB-PD 2.0 快充協議，但是快充的電源適配器需要額外購買。2019年 9 月 11 日，蘋果正式發布 2019 年的三款全新的 iPhone 手機：iPhone 11、iPhone 11Pro 和 iPhone 11 Pro Max。三款手機均支持 18W USB PD 快充，其中 iPhone 11 Pro 系列的兩款機型更是標配了 USB-C 接口的 18W PD 充電器和 USB-C to Lightning 快充數據線。根據數據顯示，使用 Apple 蘋果 單口 30W PD A1882 充電器為 iPhone 11 Pro Max充電，開啟 PD 快充，電壓 8.91V，電流 2.52A，功率可達到 22.51W。傳統的 5V/1A 在30 分鐘內大約只能為達到 15%左右。USB-PD 快充能在 2 個小時左右充滿電，但是如果使用普通的 5V/1A，時間大概需要 3 個小時左右。

雖然各機型配備的 USB-PD 快充協議推進速度不同，高端機型可能配備 USB-PD 3.1 快充協議，低端機型適配 USB-2.0 快充協議，但是 USB-PD 協議的推廣，可以降低用戶攜帶數個電源適配器的煩惱，甚至在忘記攜帶充電器并且手機電量不足的情況下，輕松獲得快充電源適配器，解決解決手機續航問題。

2.3 氮化鎵，小型快充電源適配器的關鍵

隨著功率的增加，充電器的重量和體積會相應的增加，大大降低了充電器的便攜性。如何將充電設備小型化并且小型充電器具備較好的散熱性能成了業界關注的問題。 2019 年9 月，OPPO 正式發布最大充電功率為 65W 的 SuperVOOC 2.0，以及最大充電功率為 30W的無線 VOOC 閃充和 VOOC 4.0。SuperVOOC 2.0 配備的適配器中，使用了新型半導體材料氮化鎵，OPPO 成為國內首家將氮化鎵充電器作為原裝配置的手機廠家。

氮化鎵的三個特點：開關頻率高、禁斷寬度大、更低的導通電阻。

開關頻率是指充電頭內部晶閘管，可控硅等電子元件，每秒可以完全導通、斷開的次數。變壓器恰好是充電器中體積最大的元器件之一，占據了內部相當大的空間。開關的頻率高可使用體積更小的變壓器。使用氮化鎵作為變壓元件，變壓器和電容的體積減少，有助于減少充電頭的體積和重量。

禁帶寬度直接決定電子器件的耐壓和最高工作溫度，禁帶寬度越大，器件能夠承載的電壓和溫度越高，擊穿電壓也會越高，功率越高。

更低的導通電阻，直接表現為導電時的發熱量。導通電阻越低，發熱量越低。

OPPO SuperVOOC 2.0 充電器主控芯片來自 PI，型號 SC1923C，是 OPPO 向 PI 定制的料號。該芯片內置 GaN 功率器件，屬于 PI 的 PowiGaN 系列，也是 PI 推出的首款 GaN 電源產品。受益于氮化鎵功率器件高頻率低損耗的優勢，提升了充電效率、降低了發熱，有效縮短充電時間的同時，進一步縮小適配器的體積和重量，更加便于攜帶。雖然氮化鎵充電器具備小巧、高效、發熱低等優勢，但是由于技術、良率等問題，氮化鎵快速充電器價格相對較高。目前不僅 OPPO 發布了氮化鎵充電器，部分第三方供應商也發布了自家的氮化鎵快速充電器。在 USB-PD 快充協議不斷推廣的環境下，隨著氮化鎵技術的不斷成熟，高效、小巧、散熱低、具備良好便攜性能的快沖適配器將會快速普及，解決 5G 時代的手機續航問題。

3、解決手機續航方法之二：無線充電

3.1 目前存在三種無線充電方式，電磁感應成手機領域的主角

1、電磁感應無線充電。該技術利用的是電磁感應原理。這個充電系統主要由兩個線圈組成：初級線圈和次級線圈。首先，給初級線圈通以一定頻率的交流電，由于電磁感應的作用，在次級線圈中會產生一定的電流，因此能量就從傳輸端轉移到了接收端。將這個原理應用到手機上，則是充電底座內存在一個初級線圈，手機終端內置次級線圈。當手機與充電座靠近，基于電磁感應，在手機接收線圈就會中產生一定的電流，就可以在沒有充電線的狀態下對手機進行充電了。但是，電磁感應無線充電技術存在著缺陷：傳輸距離短。目前，這種技術的有效充電距離只有 10nm。

2、磁場共振無線充電。使用這種充電需要兩個裝置：能量發送裝置和能量接收裝置，并且這兩個裝置需調整到相同頻率。兩個線圈作為共振器，發射端以 10MHz 頻率振動向周圍發散出電磁場，而接受端需要同樣以 10MHz 頻率振動，才能實現能量傳輸。磁振器是由小電容并聯或串聯而成的大電感線圈組成。相比于電磁感應，磁共振無線充電的傳輸距離更長、供電效率更高，并且支持一對多的供電方式。該技術最大難點在于：如何使兩個電路獲得相同的頻率，調頻是這項技術中最難的一步。

3、無線電波輸電。該技術是將電磁波轉換為電流，再通過電路傳輸電流。無線電波輸電系統主要由微波發射裝置和微波接收裝置組成。微波發射裝置發射無線電波，微波接收裝置捕捉無線電波能量，并隨負載做出調整，得到穩定的直流電。理論上，這種無線充電方式傳輸距離可達 10 米以上；而且也可以實現自動隨時隨地充電。然而，該技術的充電傳輸效率較低。

電磁感應技術是目前主流無線充電方案。按工作原理進行劃分，目前無線充電主要包括兩大技術分支，一是以 Qi 標準為代表的電磁感應技術，另一個是以 Airfuel 為標準的磁共振技術。電磁感應無線充電技術技術通常用于小功率效率充電，充電效率在 70%至90%左右，常用于智能手機、可穿戴設備、小家電等低功耗便攜式設備。該設備也存在較為明顯的弊端，如傳輸距離較短，位置要求嚴格，使用的兩個充電產品線圈距離一般保持在 10nm 左右，設備接收端必須與發射端緊密接觸才可完成充電過程。相比之下，磁場共振方案能在更大范圍內實現能量的有效傳遞，從而具有更高的空間自由度，無需使線圈間位置完全吻合即可實現較為高效的供電。從原理上看，磁共振技術是更好的無線充電解決方案，Qi 也將其納入到標準當中。但是，磁場共振的使用效率相對電磁感應較低，而且，生產成本高，設備體積較大。所以磁場共振距離成熟還有一段距離。目前市場上絕大多數無線充電設備仍采用電磁感應技術。

3.2 萬物互聯拓寬應用場景，無線充電市場空間廣闊

萬物互聯時代下，無線充電應用領域將不斷拓展。作為新一代移動通信技術，5G網絡能支持高達100萬個/平方千米的連接數密度，有效支持海量設備接入，是萬物互聯時代的一組通信標準。萬物互聯時代下用電設備數量實現數倍增長，不同設備采用不同標準的充電接口，為這些裝置供電將成為一大挑戰。無線充電采用統一的充電標準，具備方便、安全、空間利用率高等特點，同一無線充電底座能同時為不同設備充電，省去攜帶多種充電線材的麻煩；隨放隨充的特點有助于實現設備的碎片化充電，用戶能在辦公室、咖啡館、機場、快餐店等場所輕松方便地獲得電力支持。據了解，部分麥當勞、星巴克已在門店提提供無線充電服務，宜家也開始布局無線充電家具，無線充電在公共服務領域的應用前景值得期待。

無線充電具備多重優勢，未來市場空間廣闊。與傳統有線充電相比，無線充電在安全性。靈活性和通用性等方面具有優勢，在智能手機、可穿戴設備、汽車電子、家用電器等領域具備廣闊的應用前景，市場空間巨大。Yole Development預計到2024年，支持無線充電的智能手機每年出貨量將超過12億臺；IHS認為全球無線充電市場規模將從2015年的17億美元增長至2024年的150億美元，年復合增長率達到27%；市場調研機構Market Watch則指出，未來5年無線充電IC市場收入年均復合增長率將達到19.1%，預計2019年全球市場規模為21億美元，到2024年將達到52億美元。

3.3 無線充電技術日趨成熟，滲透率有望快速提升

終端滲透情況：無線充電已成旗艦標配。三星是最早支持無線充電服務的手機廠商之一，從2015年推出的GalaxyS6開始全面推廣無線充電，并在其之后發布的歷代旗艦S、Note系列標配無線充電功能；蘋果于2014年推出采用MagSafe磁吸方式進行無線充電的AppleWatch，并在2017年的新品發布會上首次推出支持無線充電的三款新品iPhoneX、iPhone8/8Plus，三款手機產品均搭載采用Qi標準的無線充電技術，最高支持7.5W無線充電，引發市場強烈關注；進入2018年，華為、小米等國內手機廠商在Mate RS、Mate20Pro、mix2S、MIX3等旗艦機型上搭載無線充電技術，國外諾基亞、索尼、LG等終端廠商也相繼采用無線充電方案，無線充電逐漸成為旗艦標配。

無線充電技術日趨成熟，充電功率大幅提升。無線充電具備諸多優勢，但在推廣之初存在充電功率較低、手機發熱量較大等問題，因此推廣受到一定阻礙，滲透率提升緩慢。進入2019年以來，各大手機推出的無線充電方案在充電功率上實現明顯提升，已接近甚至超過主流的有線充電方案。以華為旗艦為例，其在去年下半年發布的Mate20Pro和今年上半年發布的P30Pro均搭載15W無線充電方案，而今年九月發布的Mate30系列手機將無線充電功率提升至27W，已超過主流有線充電方案；小米于今年2月發布的小米9應用了20W無線快充，在小米95G版無線充電功率更是將充電功率提升到30W，25分鐘可充滿4000mAh電池的50%，69分鐘可充滿100%，帶動無線充電全面進入實用階段。此外，小米9Pro還支持10W反向無線充電，可通過手機為其他手機、耳機、牙刷等電子產品充電，在旅行、出差時具備一定實用價值，應用場景進一步拓寬。

隨著游戲、視頻等高功耗的應用普及以及5G時代的到來，對手機的續航及充電體驗不斷提出新的要求。無線充電能充分利用碎片化時間為手機供電，在一定程度上解決用戶手機續航不足的痛點。目前無線充電技術已成各大手機廠商競爭焦點，今年以來各廠商推出的無線充電方案充電速率提升明顯，部分機型無線充電速度與有線充電已不存在明顯差距。我們認為，無線充電速度突破將加速該項技術的大規模應用，未來無線充電技術將逐步從旗艦機型拓展到中低端機型，滲透率將進一步提高，甚至實現對有線充電的全面替代。

3.4 剖析無線充電產業鏈，挖掘無線充電產業機會

從產業鏈角度看，分為發射端和接收端。接收端無線充電主要分為五個環節：方案設計、電源芯片、磁性材料、傳輸線圈及模組制造。發射端分芯片、線圈模組、方案設計。從各環節價值構成來看，方案設計和電源芯片環節技術壁壘較高，目前主要被國外企業壟斷，分別占據產業鏈價值量的30%和28%；磁性材料是物料成本中占比最大的環節，在整個無線充電成本中占比21%，占據物料成本的50%以上；傳輸線圈是產業鏈中的關鍵零部件，具有較高的客戶定制化特征，目前國內少數公司具有定制化能力；模組制造環節技術門檻和價值占比相對較低，占產業鏈成本不超過10%，目前國內較多廠商都做到快速跟進。

電源芯片：發射端芯片設計案方面，國內外參與的廠商眾多，以國外芯片廠商為主，主要有IDT、TI、ST、ADI、高通、博通、東芝、NXP/Freescale、安森美等企業為代表。國內廠商的產品性價比優勢明顯，在發射端芯片市場上有較高的占有率，主要以中興通訊、勁芯微電子、上海新捷、易沖無線等企業為代表。接收端對芯片的大小、控制和穩定性有很高要求，主要以IDT、高通、博通、ST、易沖無線、羅姆半導體為代表。

方案設計：方案設計主要以IDT、三星、蘋果、易沖無線等企業為代表。

磁性材料：磁性材料主要用于屏蔽功能，消除磁場對電池和其他零組件的影響。無線充電中的磁性材料主要包括鐵氧體、非晶和納米晶三種。目前，國內鐵氧體供應商有：橫店東磁、天通股份、順絡電子、東山精密、領益智造，綿陽北斗（信維通信）等。國內非晶納米晶供應商有安泰科技、合力泰等。國內納米晶國內供應商：信維通信等。

傳輸線圈：充電線圈是無線充電發射端與接收端溝通的橋梁，目前主流線圈包括銅線密繞線圈、FPC線圈和扁平線圈三種，其中銅線密繞線圈在充電功率、線圈損耗等方面具有優勢。發射端線圈國內供應商：有勵電子、泛亞電子有限公司、本磁電子、哈維斯化學（深圳）有限公司、東莞豪達電子有限公司、億科技等。接收端線圈國內供應商：東山精密、順絡電子、信維通信等。

模組制造：無線充電發射端不受尺寸和材料的限制，制造壁壘和產品附加值較低，而智能手機輕薄化趨勢對接收端模組的體積大小和電磁兼容性提出了較高要求，因此接收端模組設計、制造難度相對較大。目前，國內無線充電發射端模組：立訊精密、碩貝德、深圳微航磁電等。國內無線充電接收端模組供應商有：碩貝德、信維通信、立訊精密等。

4、5G 時代，熱管理迎來需求爆發期

4.1 熱管理需求即將迎來爆發

元器件溫度過高會影響電子產品的性能和可靠性。設備運行中的熱量會直接影響電子產品的性能和可靠性，試驗證明，電子元器件溫度每升高 2℃，其可靠性將下降 10%，溫升 50℃的壽命只有溫升 25℃的 1/6。以 GaN 器件為例，器件的溫度每提升 20℃，器件的平均無故障時間（MTTF）下降一個數量級。由此可見，控制器件溫度是保障器件可靠性必不可少的手段。

導熱材料和器件用于解決電子設備的熱管理問題，4G 手機以“導熱片+導熱界面材料為主”。導熱材料和器件將熱量有效地從發熱元器件傳遞到散熱片，主要作用是緩解系統內部由于長時間工作而產生的發熱現象，保障系統元器件能夠高效、穩定發揮，并延長元器件壽命。4G 手機散熱方案以“導熱片+導熱界面材料”為主，其中導熱片大多采用石墨片或石墨烯方案，通過貼近熱源加大散熱面積和效率，實現熱量傳遞和轉移；導熱界面材料具有高導熱性，主要用于填補兩種材料接合或接觸時產生的微空隙及表面凹凸不平的空洞，在電子元件和散熱器件間建立有效的熱傳導通道，大幅降低傳熱接觸熱阻，提高器件散熱性能。按種類劃分，導熱界面材料可分為導熱硅脂、導熱硅膠片和導熱相變材料。

4.2 看 5G 時代熱管理方案變化

5G 手機散熱訴求提升，傳統石墨片散熱方案已無法滿足。散熱石墨膜（又稱導熱石墨膜，導熱石墨片等）具備輕薄、耐高溫、熱傳導效率高等優良特性，很好地替代了銅制和鋁制散熱器，從 2011 年開始應用于智能手機，并在 4G 時代成為消費電子領域主流的導熱片材料。5G 手機擁有更快網速和更高頻譜利用率，平均功耗相比 4G 手機提升約 30%，手機發熱量急劇增加，“石墨片+導熱界面材料”的傳統散熱方案已無法滿足終端散熱需求。

熱管/VC 已成為新型的手機散熱解決方案，預計滲透率將持續提升。熱管一般由蒸發段、絕熱段和冷凝段組成，其散熱路徑為：終端內部產生的熱量通過導熱界面材料傳遞到熱管，熱管將熱量快速傳導到銅箔處均勻散開，銅箔處熱量進一步傳導到散熱石墨膜，并在平面方向將熱量進行分散傳導。均熱板（Vapor Chamber）又叫平面熱板，相比熱管其傳導方式從一維的線性傳導升級為二維的平面傳導，散熱效率提高約 20%-30%。從應用范圍來看，熱管成熟時間較早且成本相對較低，早期較多用于服務器、筆記本、LED和大功率 IC 等領域，目前已延伸至部分中高端手機；VC 生產成本相對較高且量產能力較弱，目前應用局限于高端筆記本和中高端智能手機等領域。在消費電子超薄化、輕量化且性能持續升級的背景下，熱管和 VC 有望充分發揮其導熱性能優勢，滲透率持續提升。

石墨烯膜有望成為散熱方式新成分。2018年10月，華為在倫敦發布了Mate 20 系列手機，其中Mate 20 X 最受矚目，因為華為在該手機中放出了多項的研 發成果。華為Mate20 X在散熱投入達到了全新的高度，不僅在手機上全球第 一次使用了石墨烯散熱，同時也是全球首款搭載真空腔均熱板技術的手機。

石墨膜有望成為的理想替代材料。石墨烯是一種由碳原子以 sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，擁有優異的導熱性能，據了解，石墨烯散熱能力高出普通鋁合金四倍左右。石墨烯導熱膜是以石墨烯為原料，采用多層石墨烯堆疊而成的高定向導熱膜，包含保護膜、單面膠、石墨烯膜、雙面膠和離型膜等，具有機械性能好、導熱系數高，質量輕、材料薄、柔韌性好等特點，為當前電子產品散熱方案提供了良好的導熱材料，成為石墨膜的理想替代材料。由于石墨烯在片層平面內是各項同性的，在平面內的熱傳導不會存在方向性。因此將石墨烯用于導熱領域，開發新型的導熱薄膜是非常有必要，也是最有可能實現的。然而，目前已有的剝離型石墨烯片小、缺陷多，其組裝而成的宏觀材料導熱率和柔性都欠佳。因此，成本較高。

華為Mate20手機上使用的石墨烯導熱膜產品，是以石墨烯為原料，采用多層 石墨烯堆疊而成的高定向導熱膜，與市場其他同類散熱材料相比，具有機械 性能好、導熱系數高，質量輕、材料薄、柔韌性好等特點。根據華為官方實 測顯示，1h游戲后，華為Mate 20X的正反面溫度分別只有37.4℃、38.1℃， 明顯低于三星Note 9和iPhone XS Max。自華為發布Mate 20 X后，部分手機 評測人員也對其散熱能力進行了測評，根據相關反饋，散熱效果良好。在收 到市場的肯定后，華為在2019年的Mate 30 pro中也再次采取了石墨烯方案， 表現出華為對該散熱材料的看好。

5G手機將采用組合散熱方案，手機散熱系統增量空間顯著。5G手機對手機散 熱系統需求提升，目前已發布的5G手機型號除了采用石墨片/石墨烯等作為導 熱片外，大多還搭載熱管/VC等金屬腔體，實現熱量的快速轉移。以OPPO近期 出品的Reno 3 Pro 為例，針對全機各個部件的散熱需求，運用了不同的散熱 材料，這些散熱材料包括石墨片、導熱凝脂、VC均熱板等。首先，在Reno3 Pro 的90Hz高感曲面屏之下，覆蓋有一層銅箔和雙層石墨片，從而將屏幕與主板 產生的熱量均勻地發散出去。其次，Reno3 Pro還通過導熱凝膠將處理器附近 的熱能傳導至VC，再通過VC內的液體進行熱傳導和降溫。再次，Reno3 Pro 還在中框及電池蓋上覆蓋了3層石墨片，進一步增強散熱。最后，Reno3 Pro 在其他地塞下了不少散熱銅箔、金屬屏蔽蓋，使得整機的散熱更加均勻。

5G 時代，手機散熱單機價值量有有望翻倍。5G 時代我們預計在 5G 時代“石墨片+熱管”或“石墨片+VC”將成為手機標配，手機散熱系統價值量將大幅提升。4G 時代單機石墨片價值量普遍在 2-3 元，5G 手機石墨片用量有望翻倍；而手機熱管單價多在 5-10 元，手機 VC 價格約 10-20 元，手機散熱系統均價提升空間顯著。

4.3 梳理熱管理產相關

臺灣雙鴻科技股份有限公司

公司成立于 1998 年，原專營 NB 散熱器設計、加工制造及販售，后有鑒于電子系統散熱需求日益蓬勃，于 1999 年 11 月起擴大營業并搬遷至臺北五股，正式轉型為專業全方位熱流方案提供者。除主力 NB 產品外，同時延伸發展至非 NB 產品線的設計制造，包括服務器、主機板與繪圖卡散熱模塊、一體成型計算機（AIO）、工作站、DVD 播放器的散熱模塊，在短短數年內已成為全球第一大筆記型計算機散熱模塊設計及制造廠，客戶包含DELL、廣達、仁寶、緯創、三星、和碩、英業達與鴻海，在穩定獲利外也兼顧成長性。為直接服務廣大中國大陸客戶，分別于 2002 年 9 月設立雙鴻電子科技工業(昆山)有限公司、2006 年 1 月設立澤鴻(廣州)電子科技有限公司、2011 年 3 月設立霈鴻（廣州）電子科技有限公司及在 2012 年 3 月設立春鴻電子科技 (重慶)有限公司，以有效提升客戶服務滿意度及產品交貨效率。

北京中石偉業科技股份有限公司

公司成立于 1997 年，專注于電磁兼容、屏蔽及導熱領域，為智能電子設備在復雜且惡劣的電磁干擾環境和發熱運行環境下可靠運行提供方案。中石科技的產品涵蓋熱管理材料、人工合成石墨材料、電磁屏蔽及 IP 密封材料、EMI 濾波器、信號濾波器等。公司產品主要應用于智能手機、消費電子、通信、汽車電子、高端裝備制造、醫療電子等領域。公司客戶邁銳、鴻富錦、昌碩、領勝、安潔科技和寶德等是世界知名手機制造商蘋果公司的供應商，DIC Co.,Ltd.、Interflex Co.,Ltd.是世界知名手機制造商三星公司的供應商，愛立信、諾基亞、華為、中興均為國際知名的電信企業。

碳元科技股份有限公司

公司成立于 2010，擁有 66 項石墨散熱領域的技術專利，以世界領先的石墨散熱技術，服務于國內外知名手機及平板電腦廠家。公司立足于消費電子市場，以散熱材料、3D 玻璃、陶瓷背板等為發展方向，致力于為客戶提供專業、高效、全套的散熱、背板解決方案。公司產品可應用于智能手機、平板電腦、筆記本電腦、LED 燈等電子產品的散熱。目前，公司產品主要應用于三星、華為、VIVO、OPPO 等品牌智能終端。

深圳市飛榮達科技股份有限公司

公司創立于 1993 年創立。公司主要從事電磁屏蔽材料及器件、導熱材料及器件的研發、設計、生產與銷售，能夠為客戶提供電磁屏蔽及導熱應用解決方案。公司在亞洲、歐洲和美洲設立了十多個辦事處，能為全球客戶提供便捷專業的電磁屏蔽及導熱應用解決方案。目前，公司與多家國內外知名企業建立了良好的業務合作關系，客戶包括世界 500強或行業內知名企業華為、中興、諾基亞、思科、聯想、微軟和阿爾卡特-朗訊等以及行業內領先的 EMS 企業富士康、和碩、新美亞、捷普和偉創力等。

5、投資策略

對手機產業鏈維持推薦評級。從 4G 時代開始，手機廠一直在續航問題上付出了大量的努力，通過增大電池的能量密度和電池容量。目前，多數廠商采取增大電池容量的方式以增強手機的續航。然而，在以輕薄為主流的今天，面對有限的手機內部空間手機廠商也不能無休止的增大。因此，手機需要采取其他方式增強續航能力，例如快充和無線充電。快充，目前市場存在多種方案。但是 PD 方案的出現，有利于推動快充普及。在快速充電器中以變壓器為最重要元件。氮化鎵的三個特點：開關頻率高、禁斷寬度大、更低的導通電阻。使用氮化鎵可以生產出更輕便的快速充電器。無線充電是通過采用碎片化充電以提升充電的效率。目前無線充電的技術日趨完善，預期未來的滲透率有望上升。對于無線充電需要關注五大部分：電源線片、方案設計、磁性材料、傳輸線圈、模組制造。高性能與長續航將會使手機內部的熱量積聚，因此對手機熱管理體處理需求。5G 時代熱管/均熱板將會成為的主流。

……

（報告來源：東莞證券）

如需完整報告請登錄【未來智庫官網】。

編輯：沃巴查芒