模拟芯片科普

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模拟信号是一切信息的源头。我们生活的物理环境以模拟量为特征，即以连续方式变化而非离散的量，如温度，位置，光强度，声波，颜色，纹理等。这些物理量的测量是不受限（例如“开与关”，“小与大”，“黑色”）的渐变。当我们使用图表直观地表示这些模拟量的值时，曲线将变得平滑（最具代表性的就是正弦曲线）。这些连续变化的模拟量构成了真实世界，通过模拟信号的形式向外界传递信息，用来处理模拟信号的集成电路就是模拟 IC。

数字信号是电子革命的关键。尽管现实世界是由丰富多彩的模拟信号组成，然而经验证明，在电气系统中，二值信号对信息的存储、传输和处理带来了极大的方便及可延展性。所以在现代电子系统中，工程师采用逻辑高电压与逻辑低电压（接地）来表示信号 1 和 0，从而将二进制的数学结构转换到电子系统当中，这就是数字信号。数字信号被广泛的应用与计算、存储等领域，用于处理数字信号的集成电路就是数字 IC。

集成电路IC由晶体管（包括二极管和三极管）及其他被动元件组成，通过微缩化将复杂的功能压缩到一个很小的物理区域中，通过集成的手段沟通微观器件与宏观世界，极大的丰富了电子系统的便携性及延展性。模拟电路和数字电路的区别主要体现在电子设备内部，也就是模拟IC与数字IC之间的晶体管区别上。

在模拟IC中，晶体管用于放大或产生连续变化的信号（偏置）。当我们给晶体管偏置时，我们会创建电路条件，使其能够正确响应电压的微小变化。能够连续、准确的反应、放大模拟信号是模拟IC的主要关注点。模拟IC中的晶体管可以是BJT（双极结型二极管），也可以是MOSFET（金属-氧化物场效应晶体管）。

在数字IC中，输入信号需要完全打开和关闭晶体管，只需要对外输出逻辑高低两个值。由于需要频繁的开闭，只有MOSFET能够满足这样的性能，所以数字IC中一般不适用BJT。通过复杂的MOSFET互联，基于布尔逻辑的门电路可以组成复杂的微处理器甚至通用计算处理器单元。

模拟IC：数字系统与现实世界间的桥梁

信号在电子系统中经历了从模拟到数字再到模拟的过程，对应的是信息的输入、处理和存储、输出三个环节。其中自然界的信号经由传感器和各类分立器件转变为电信号（模拟）；而信号从输入到处理再到输出的中介，作为桥梁进行沟通的功能则是由各类模拟器件（包括数模混合电路）完成；最后模拟芯片处理转换后的数字信号，经由数字IC（处理器和存储器等）完成最终的逻辑计算、存储等功能。

在半导体产业中，下游产品可以分为OSD（包括传感器、分立器件、光电器件等）以及集成电路IC。数字IC主要处理数字信号，而模拟IC和传感器等分立器件则处理模拟信号，并与数字信号进行转换。

数字IC是半导体产业的核心，模拟IC是半导体产业的基石，也是联系真实世界与电子系统的纽带。由于需要处理的信号种类不同，我们可以看到，模拟IC在产品生命周期、生产工艺、设计门槛以及相关辅助工具上，都与数字IC之间有较大的区别。

产品生命周期长，迭代慢。数字IC强调运算速度与成本比，摩尔定律的核心就是设计者们追求更高性价比的运算速率，故新工艺、新算法层出不穷，生命周期只有1-2年；模拟IC与之相反，强调的是高信噪比、低失真、低功耗及稳定性，所以产品一经推出，往往具备较长久的生命力，迭代周期较长，而价格也会逐年降低。

生产工艺因需求不同而多样化。CMOS工艺由于发展完备，制程不断缩小成为数字IC采用的主流。但模拟IC由于往往需要高电压、低失真、高信噪比的需求，CMOS工艺驱动能力较差，很难满足模拟电路需求。

模拟IC早期使用Bipolar工艺，但是Bipolar工艺功耗大，因此又出现BiCMOS工艺，结合了Bipolar工艺和CMOS工艺两者的优点。另外还有CD工艺，将CMOS工艺和DMOS工艺结合在一起。而BCD工艺则是结合了Bipolar、CMOS、DMOS三种工艺的优点。在高频领域还有SiGe和GaAS工艺。这些特殊工艺需要晶圆代工厂的配合，同时也需要设计者加以熟悉，所以一般模拟IC厂大部分仍采用IDM模式。

与电子元器件关系紧密，设计匹配布局复杂。模拟IC的低噪声、低失真需求需要在设计布局中考虑结构和元器件参数彼此的匹配模式，同时在整个线性工作范围内需要具备良好的电流放大、频率功率特性。常见的阻容感元件都会产生失真，而在数字IC设计过程中，由于二值特性，则不需要考虑相关影响。在高频范围内，某些射频IC的性能还与布线密切相关，所以模拟IC的设计者需要熟悉大部分的电子元器件特性，设计门槛较高。

辅助工具少，经验知识要求高。由于模拟IC设计需要熟悉大部分的元器件特性及不同的生产制造封装工艺，这使得模拟IC从业者准入门槛更高，积累经验时间往往在10年以上。模拟IC在不同场景下的通用性往往不强。牵涉性能指标更多，稳定性及认证周期更厂，这导致可以借助的EDA工具数量更少，对设计者的自身经验要求更高。所以在模拟IC行业中，丰富的设计经验（或者也叫Know-how）更加重要。

模拟芯片产品种类繁多，应用丰富

结合电子系统示意图表，根据功能的不同（传输弱电信号/强电能量），我们一般可以把模拟器件大致分为信号链和电源链两大类。信号链主要是指用于处理信号的电路，而电源链主要用于管理电池与电能的电路。信号链主要包括比较器、运算放大器OPA、AD\DA、接口芯片等；电源链主要包括PMIC、ADC、DAC、PWM、LDO稳压器和驱动IC等。在高频信号部分，射频器件由于技术迭代快、出货量大等，经常被单独分类讨论。

按照下游产品的应用领域进行划分，我们也可以将模拟IC产品分为通用标准产品SLIC和专用标准产品ASSP。其中SLIC应用于不同场景中，设计性能参数不会特定适配于某类应用，按产品类型一般包括五大类，信号链路的放大器Amp、信号转换器ADC/DAC、通用接口芯片、比较器，电源链路中的稳压器都属于此类。产品细分品类最多，生命周期最长，市场十分稳定。

ASSP则根据专用的应用场景进行标准化设计，一般集成了数字以及模拟IC，复杂度和集成程度更高，有的时候也叫混合信号IC。典型的ASSP产品包括手机中的射频器件，交换机中物理层的接口芯片，电池管理芯片以及工业功率控制芯片等等。ASSP一般按照下游应用场景划分为五大类，包括汽车电子、消费电子、计算机、通信以及工业市场，通常由于针对特定场景进行开发，附加价值及毛利率较高。

模拟市场：稳定规模下的暗潮汹涌

全球模拟IC市场：规模稳定，21年开启高增长

复盘过去15年的半导体行业各个细分领域市场规模及增速，我们发现模拟IC市场规模稳定，不受下游某些市场短期波动的影响，市场波动幅度较小。模拟芯片也是全球半导体产业的晴雨表，与宏观经济变化密切相关，周期性变动相对较弱。

历经从50年代开始的不断发展，模拟芯片已成为全球规模近600亿美元的产业。根据WSTS及Statista数据统计及预测，2020年全球模拟IC市场规模达到557亿美元，同比2019年增长3.3%，全年半导体产业规模为4404亿美元，模拟IC市场占比为12.6%。

随着全球疫情逐渐得到控制，半导体产业也迎来复苏，其中5G通信、汽车电子等应用场景将加速推动模拟IC市场发展，预计2021年模拟芯片市场规模可以达到640亿美元，同比增长15.1%，高于半导体行业整体增速。考虑模拟芯片赛道发展稳定，受下游景气度影响较小的特点，未来将成为半导体行业的细分黄金赛道。

根据ICInsights预测，未来五年（20-25年）整个集成电路行业增速受到下游汽车电子、5G通信的应用场景的带动作用，销售额复合增速将达到8.0%，高于半导体行业整体增速；其中模拟、逻辑和存储IC市场增速将分别达到8.2%、9.1%和9.9%，是集成电路细分市场中复合增速最快的三个赛道。

模拟IC的下游应用场景包括通信、工业控制、汽车电子、消费类和政府军事等用途，其中最大的下游应用是通信类市场，典型产品如基站信号链、射频IC等等，2020年占比份额达到36.5%。汽车电子近五年（16-20年）受益于新能源车的下游需求发展，增长最为迅猛，已经成为下游第二大应用场景，市场份额占比达到24.0%。

中国已成世界最大模拟IC市场，自给率仍然偏低，替代空间巨大。根据IDC数据统计，2020年亚洲模拟IC市场销售额占比已经接近全球的70%，其中中国大陆市场占比达到36%。按照557亿美元全球规模测算，中国模拟IC市场规模已经达到200亿美金。尽管近些年大量人才回流，本土模拟IC厂商陆续崛起，部分高端产品领域甚至超过世界先进水平，但是目前国产模拟厂商销售规模只有25亿美金左右，自给率仅为12%，未来尚存较大国产替代空间。

竞争格局：稳定市场规模下的暗潮汹涌

产品种类繁多，细分市场复杂。按照产品类别进行分类，模拟IC市场可以分为信号链及电源链两大类，并且可以进一步划分为通用产品以及专用标准品两大类。依据Oppenheimer的统计，2020年全部模拟IC市场中，信号链产品占比约为47%，电源链产品占比达到53%。

信号链：专用产品居多，射频IC占比最大。在信号链产品中，ASSP专用品主要由射频IC和音视频驱动IC构成，针对通信、消费等场景定制化设计开发模组及分立器件，占比达到30.9%。而在通用产品上，信号链主要则包括通用放大器OPA、转换芯片ADC及DAC以及各类接口芯片等。

电源链：通用专用占比近似，整体规模增速快于信号链。在电源链产品中，通用电源管理产品包括各类LDO稳压器、DCDC转换器等，适用于各类电源管理场景的电压转换，占比达到29%；而专用电源管理芯片则包括电池管理芯片、计算机监控电路和功率、LED驱动IC等等，针对具体场景的高压电路进行特质化设计，规模占比达到24%。

市场格局分散，TI领衔“一超多强“格局。德州仪器TI作为发明集成电路概念的厂商，2020年模拟业务收入达到109亿美元，在整体市场跌幅较大前提下销售额稳定增长，市占率达到19%，是当之无愧的模拟芯片龙头厂商。过去30年间，TI维持信号链产品竞争力，大力布局电源管理类产品，各类模拟芯片类别超过14万钟，毛利率稳定在60%以上。不断整合并购带来的广泛产品线，自建IDM迅速匹配下游特定场景进行快速设计应用的能力，是德州仪器持续引领模拟行业发展，形成“一超多强”格局的关键。

模拟IC市场发展超过50年，产品迭代较慢、生命周期长，路径依赖特征不强，需要长期积累经验，且下游应用场景纷繁复杂，难以形成垄断，全球模拟芯片Top10厂商合计市占率一直维持在55%-60%左右，除部分外围厂商占据特定市场之外，头部厂商格局稳定，在各自擅长的信号链及电源领域和细分市场中，拥有自己擅长的模拟产品。2015年至今，模拟市场以TI为首，ADI凭借领先的信号链能力紧随其后，英飞凌、ST、Sky、NXP等公司各自在功率器件、射频产品市场中拥有一席之地，形成稳定的“一超多强”格局。

稳定市场格局，并购暗潮汹涌，集中化趋势凸显。90年代之前，整个模拟芯片行业以信号链芯片为主，下游应用多为通信及工业类场景，日本的东芝、松下、日立，美国的TI、国家半导体、摩托罗拉，欧洲的飞利浦、西门子等公司基于各自的技术特点及主要客户需求占领细分市场，行业格局及其分散，头部前十名厂商市场份额基本相同，排名第一的国家半导体仅占据市场7%的份额。

1996-2000年，TI乘电源管理发展东风，转型大力发展模拟芯片业务，陆续收购SiliconSystems、Unitrode、PowerTrends以及Burr-Brown，2005年市场份额跃居第一；到了2011年，TI为了进一步扩大其在模拟领域中的地位，又斥资65亿美元收购1995年排名第三美国国家半导体（National），此番收购后，TI在通用模拟器件的市场份额达到17%，大大超越后面的竞争对手，奠定了如今他们在模拟芯片市场中不可撼动的地位。

2005-2015十年间，市场格局相对比较稳定，头部前十厂商由TI独领风骚，但并购传言四起，格局暗流涌动。2015年，ADI收购排名第七的Linear公司，一举超越英飞凌成为仅次于TI的第二大模拟厂商，市占率达到6%，并凭借累计的信号链技术能力对TI的统治发起冲击；2020年，ADI再次斥资210亿美元收购排名第七的美信，弥补电源链芯片方面技术能力的不足，市占率突破10%。

除此外，2015-2021年期间，其他头部厂商同样通过并购继续扩张在模拟各个下游领域的影响力。英飞凌以90亿美元收购赛普拉斯，拓展汽车芯片产品类别；瑞萨电子陆续收购了intersill、IDT以及Dialog，不断拓展混合信号、功率半导体以及传感器处理IC等产品市场，打入通信、汽车、工业等新领域；

即使前十大厂商之间的并购比较罕见，TI及ADI的领先地位稳固，然而模拟市场天生重经验，轻路径依赖，人才至上的特点决定了其并购发展的重要性，头部厂商借助规模及利润优势，凭借收购不断拓展产品和技术边界，抢占新兴下游专用市场。2019年，前十大厂商份额合计首次突破60%，达到67%，而随着疫情的进一步影响，模拟市场非头部公司处境较差，20年下半年开始的晶圆产能缺货问题又将进一步压缩没有IDM厂房的模拟厂商份额，预计未来整体模拟市场格局将进一步集中化，头部厂商不断收购整合其他厂商剥离的模拟类业务，快速发展壮大。

信号链：各类信号的采集、传输与转换

信号链：系统中信号从输入到输出的路径

广义定义上，一条完整的信号链（SignalChain），指的是信号从输入到输出的路径。在输入端，自然界中存在的声、光、电磁波等连续的模拟信号，经过传感器的采集和前端器件的转换形成连续电信号进入电子系统，再通过各类模拟芯片的处理转换为以0和1表示的数字信号，进入逻辑和存储IC中，通过应用软件进行各种运算处理；在输出端，数字处理结果经由模拟芯片进行放大，转换为模拟信号在自然界中传输，或者经由驱动电路和电源器件对外做功。

在模拟芯片领域，我们往往将讨论范围缩小至电子系统，信号链模拟芯片不包括声光电传感器（分立器件范畴）和对外输出的驱动电路（电源IC范畴），一般是指拥有对模拟信号进行收发、转换、放大、过滤等处理能力的集成电路。在信号的测量及保护电路部分，常见的模拟IC包括线性放大器Amp和多路复用器Mux（也可以叫开关）；在信号采集和处理部分，连续信号经过转换器ADC成为数字信号，进入微处理器DSP进行处理；输出的数字信号通过合成、DAC转换，进入到驱动电路中对外做功或传输。

模拟IC根据其功能可以分为信号链产品和电源链产品，根据ICInsight的数据，2019年信号链产品在整个模拟IC行业中占比为47%，主要包括线性产品、信号转换器、接口芯片等产品。

根据ICInsight的预测，全球信号链市场规模从2020年开始复苏，2020-2023年的年均复合增长率约为6%，低于整个模拟行业8%的复合增速。但是由于信号链产品在模拟IC中不可替代的作用，下游应用工业、汽车、通信等行业的需求将继续上升，ADI和TI等头部厂商继续加码研发，该领域在未来依旧是各大厂商重要发展基点。

两极格局，ADI和TI领跑信号链产品，二者在各细分领域市场份额之和超50%。自2000年后，ADI通过一系列并购不断提高其在信号链产品的资源整合能力，目前ADI在线性产品和数据转换芯片已位于行业第一。近年来TI在电源管理芯片领域不断加码，信号链产品在总营收中占比逐渐下降，目前TI在接口芯片占据半壁江山。因此，信号链产品将在相当长时间内呈现两极竞争格局。

线性产品LinearProducts：信号链传输的基础

线性产品基于运算放大器OPA开发，是整个模拟电路的基础，由于运算放大器的输入输出信号一般呈现线性关系，故采用“线性”一词命名。线性的应用非常广泛，可用于信号的放大、比较、差分等运算关系，构成了模拟电路的基础。常见的线性产品包括信号放大器、比较器、差分放大器、运算放大器及各类音、视频放大器、有源滤波器等等。

• 运算放大器OperationAmplifier：一种可以进行数学运算的放大电路，由三极管构成，不仅可以放大信号，同时也可以进行加减乘除以及微积分等数学运算，是典型的信号链通用标准产品，应用领域广泛，便于集成使用。

• 差分放大器DifferencialAmplifier：差分放大器将两个输入端电压信号以固定增益放大，一般具有共模抑制作用，具有出色的输出增益和相位匹配功能，一般用于信号传输或者ADC驱动等场景。

• 比较器Comparator：对两个或多个信号进行比较，确定大小关系并排列顺序的电路叫比较器。比较器比较输入信号的电压高低，输出0/1的数字信号，一般应用于特定的通信或消费类便携终端中。
  

• 视频、音频放大器：适用于各类电子设备中对处理视频、音频信号有较高要求的应用场景。一般为运算放大器和各类无源器件的组合，是复杂的专用产品，具有滤波、抗干扰的功能，能够快速清晰的提升信号强度，去除噪声。

• 有源滤波器：与无源型不同，有源滤波器利用三极管的截止功能进行设计，根据响应频段的不同可以分类低通、高通及带通等等，一般应用于各类通信场景的射频电路中。

线性产品是信号链模拟集成电路产品的代表性器件，其重要产品放大器和比较器则是2019年信号链芯片中市场规模占比最高的品类，2020年销售额在30.96亿美元，占信号链模拟芯片市场规模的39%。放大器及比较器属于通用产品，行业空间稳定，根据Statista预测，2027年市场规模有望达到43亿美元，2020-2027年复合增速为4.8%。

线性产品市场由亚德诺和德州仪器二分天下。以在信号链模拟芯片市场规模中占比最高的放大器和比较器为例，根据Databeans的最新报告，2019年亚德诺和德州仪器在放大器和比较器领域的全球销售收入分别为10.94亿美元、9.08亿美元，营收超过其他所有厂商之和。由于信号链技术壁垒相对较高，目前全球市场份额排名前十的厂商均来自欧日美，中国企业布局相对较少，仅有思瑞浦表现较突出，位居全球销售第12名和亚洲区销售第9名。

信号转换器Converter：模拟与数字信号的桥梁

信号转换器是连接模拟与数字信号的桥梁。转换器芯片以模数转换器ADC及数模转换器DAC为基础，在之上延伸出各类场景的专用标准芯片，例如电压频率变换器、音频转换器和触摸屏控制器等等。信号转换器是将模拟（连续）信号与数字（离散）信号进行转换的关键，是混合信号系统中必备的器件，广泛使用在工业、通信（射频）、汽车、医疗等领域。在使用中，一般行业内也会根据其数据转换精度和采样速率分类，称之为高/低精度、高低速转换器。

• 模数转换器ADC：负责以连续的时间间隔测量信号电压以获取连续的模拟信号并将其转换成数字信号的器件。通过ADC将多数无法被数字系统识别与处理的模拟信号转换成数字信号，可以提高信号分析能力，实现更优质的存储方式和更精确的传输。一般适用于数字传感器芯片、传统封装片、集成电路、SOC芯片等各类涉及数字处理的应用场景。

• 数模转换器DAC：负责将数字信号转换成模拟信号的器件，主要特性指标包括分辨率、转换速度、转换误差等，模数转换器中一般都要用到数模转换器，广泛应用于各种数字系统中。

• 电压频率变换器：是将频率输入信号转换为与其对应的模拟电压幅值输出信号的器件，适合模数转换、长期积分、线性频率调制和解调以及频率电压转换应用，一般适用于仪器仪表、工业和自动化等领域。

• 音频转换器：包括将数字音频编码转换为模拟音频声音的音频数模转换器和与之相反的音频模数转换器，一般应用于汽车音响、家庭影院、消费类音频设备和个人计算机(PC)等领域。

• 触摸屏控制器：指可触控式的屏幕器件，由触摸时的检测部件和触摸屏里的控制部件组成，分为采用电阻技术、表面声波技术和电容技术三类触摸屏，广泛应用于消费电子产品、汽车、其他产品的人机接口应用等领域。

根据Statista统计，2020年ADC/DAC市场规模约为36.72亿美元，预计到2021年，全球数据转换器市场规模可达38.49亿美元。未来在5G、人工智能、物联网、汽车电子等新兴应用的驱动下，相关产品或技术对ADC/DAC芯片的需求得到强有力支撑，OPCO预测数据转换器市场未来将保持约3%的年复合增长率，市场前景比较乐观。

全球数据转换器市场被美企巨头垄断，国产芯片企业市场份额少。全球ADC/DAC市场主要被以美国公司TI、ADI为首的几家跨国大企业所垄断，价格高，供货周期长。其中，ADI是数据转换器龙头，2018年市占率约为38%，长期领先于竞争对手，同年TI占比约为21%，CIRRUS占16%，QUALCOMM占6%，MAXIM占8%，MICROCHIP占2%，国内厂商份额占比较低。

国产ADC/DAC芯片发展仍面临多重困境。目前国内做ADC/DAC的主要力量有国家骨干研究所、高校科研团队、海归创业团队等，应用主要面向军工、航空航天、相阵控雷达设备等领域，虽然在高精度ADC自研芯片等领域取得了一定的成就，但国产ADC/DAC芯片仍然面临研发周期长、试错成本高、资金需求大、国内模拟集成电路教育水平较低的重重困境。

国产替代浪潮渐起，本土数据转换器企业迎来良好历史机遇。早期国内的设备厂家出于性能、质量等多方面的考虑，只选用以TI和ADI为主的国外知名厂家的ADC/DAC产品。自华为事件及中美贸易摩擦以后，国内的设备厂家逐渐开始采购国产芯片，以思瑞浦、矽力杰为首的本土企业在ADC/DAC国产替代方面潜力巨大。

接口芯片Interface：不同电路间的沟通桥梁

接口芯片是接口电路中的重要组成部分，在信号链中充当“信使”的功能。接口电路是连接两个硬件设备的电路，是信号链中连接不同电路设备的重要桥梁，在模拟IC中应用比较广泛，因而接口芯片也被大量应用在模拟电路中。根据应用场景的延伸，我们按功能可把接口芯片分为电路保护、隔离、电平转换器、多路复用器等等。

• 电路保护：在功率密度增大、器件小型化、保护要求及时准确精细、防范等级提高等一系列综合要求下，此类产品被广泛应用于集成电路中，充当电路中电压、电流等指标的“安全阀“，是针对ESD、浪涌、过压、过流和EMI的电路保护。

• 隔离器ISO：电路中的隔离器是利用电隔离将低压域系统和高压域系统两端在物理层隔开，虽然电流无法直接通过，但信号和能量仍可由其它方式传递，目前比较常用的隔离技术为数字隔离。根据目的，我们可以把隔离分为安全隔离（保障人员及设备安全）和功能隔离（提高电路的抗干扰能力）。

• 电平转换器：是一个电压转换装置，主要作用是将输入信号从一个电压域切换到另一个电压域，用于解决不同电源域提供的不同器件之间的不兼容问题，产品类型包括通用、自动双向和单向电平转换器。

• 多路复用器MUX：是一种能接收多个输入信号，并按每个输入信号可恢复方式合成单个输出信号的信号链产品，它能以各种方式显著影响信号链的性能。例如，导通电容可能导致通道之间的串扰、导通电阻的信号和温度的相关变化可能导致信号失真、多路复用器的电容和电阻一起可限制信号带宽。因此，多路复用器在信号链整体性能的改善上有着重要作用。

接口芯片是连接集成电路中不同器件的关键设备，是模拟芯片市场中份额占比较小的产品，通用类接口芯片市场份额占比约为3.8%。根据ICInsights的预测，预计2020年其市场规模为23.82亿美元。随着未来电子元器件模组化能力的提高，接口芯片的使用率将进一步下降。接口芯片的市场规模增速相比其它模拟产品更为缓慢，在未来的市场占比将继续下降。

TI领跑混合信号赛道，接口芯片优势强大。TI是老牌模拟巨头，常年在该行业处于领先位置，产品丰富度和研发能力均为行业第一，根据Gartner的数据，2018年德州仪器占有约46%的市场份额。ADI近年来通过并购Maxim和凌特使得其在接口芯片领域的实力跃居第二，产品种类丰富度不断提高。除了TI和ADI，安美森、恩智浦等半导体厂商也在该领域有产品布局。

电源链：效率需求催生的庞大产业链

电源链：能量分配与控制中枢，模拟芯片兵家必争之地

随着集成电路工艺的发展，摩尔定律下晶体管尺寸逐渐缩减，同样面积的芯片上承载的晶体管数量快速增长，这在使得芯片性能增加的同时，所需的巨大功耗也逐渐成为了电子设备所不得不考虑的问题。由于电池能量密度的提升需要材料学与化学的重大突破，而芯片低功耗的研究也逐渐趋于饱和，能耗比发展接近瓶颈。纵观整个电子系统，当电池和负载都很难再有突破时，电源链芯片的重要性日益凸显。

电源链芯片是管理电子设备能量供应的心脏，功能电子设备电源的管理、监控以及分配使用等。只要涉及到电子设备能量使用场景，就存在电源链芯片的应用空间。不同于信号链产品是信息进行传递的途径，电源链产品应用在电压、电流较高的高功率电路中，用来进行能量的传递和对外做功，其性能优劣和可靠性对电子设备的性能和可靠性有着直接影响，一旦失效将直接导致电子设备停止工作甚至损毁，是电子设备中的关键器件。电源链产品需要满足高稳定性、低功耗的要求，同时依据下游场景需求定制化开发，产品种类繁多。

所有电子设备都有电源，但是对电源的要求往往各异，为了发挥电子系统的性能，匹配的电源管理方案就变得愈发重要。按照产品功能进行分类，我们可以将电源链产品分为电源管理芯片PMIC以及驱动芯片Driver两大类；其中电源管理芯片包括稳压器（低压非隔离）Regulator、控制器&转换器Controller（高压隔离电源）、调制芯片（PWM、PFC等）以及各类电池管理IC、电路监控器等；

驱动芯片用于分配使用电能，使其驱动各类设备对外做功，包括LED驱动芯片、栅极驱动芯片、电机驱动器、功率开关及GaN驱动芯片等。由于电源管理IC的大量发展，功率半导体有时也会叫做电源管理半导体，而随着更多集成电路进入电源领域，电源链产品才逐渐单独成为模拟芯片的一个重要品类。

电源链产品占据模拟芯片半壁江山，下游需求引领市场高速增长。根据Semiconductor统计，2018年整体电源链市场规模在250亿美元左右。随着新能源汽车、5G通信、物联网等市场持续成长，全球电源管理芯片市场将持续受益。据TransparencyMarketResearch预测，新兴应用需求将持续引领市场高增长，预计2026年全球电源管理芯片市场规模将达到565亿美元，销售额复合增速达到10.69%（2018-2026年）。

国内市场稳定增长，进口产品仍占主导地位。据赛迪顾问统计，2012-2018年，国内电源管理芯片行业市场规模从430.68亿元增长至681.53亿元，年复合增速达7.95%，预估到2020年中国电源管理芯片市场规模将增长至860亿元。目前国内市场长期以来被外企和进口产品主导，电源链产品主要份额仍由TI、瑞萨、NXP等厂商占据，随着国内市场新领域拓展及国产替代趋势，国产电源链规模将快速增长。

种类繁多，规模庞大，细分品类IC出货量第一。电源链芯片一直是所有集成电路芯片中产品最复杂、出货量最大的细分品类。根据ICInsight统计，2020年，全球IC出货量为3154亿颗，在细分的33个子行业中，电源类模拟芯片出货量为651亿颗，占比达到20.6%；此外出货量份额排名第2、3位的分别是通信及工业的模拟ASSP（专用芯片），20年出货量分别为229亿颗、216亿颗。

欧美厂商占据大部分电源链，竞争格局较为分散。目前，全球电源链芯片市场主要被欧美厂商占据。根据Gartner统计，2018年，头部5家电源链厂商以TI（21%）为首，合计占据全球市场份额的59%。由于电源管理方案在各类细分应用场景中差异很大，国内厂商与欧美大厂之间产品类别、高端技术及规模上存在较大差距。

五大难题制约电子系统发展，解决方案成为电源链发展趋势。电源链产品自90年代开始迅速发展，源动力在于解决电子系统中电源的各类限制，如功率密度、低静态电流、低噪声高精度、低EMI一级高低压隔离等。电源链市场未来发展将在现有基础上，实现更小面积、更高能耗、更长电池寿命以及更加安全的电源、信号链电路的工作环境。

电源管理PMIC：电子设备效率与热管理的保证

电源管理负责电子设备所需电能的变换、分配、检测等管控功能，其性能优劣和可靠性对整机的性能和可靠性有着直接影响，电源管理芯片一旦失效将直接导致电子设备停止工作甚至损毁，是电子设备中的关键器件。从市场应用方面看，电源管理芯片是目前半导体芯片中应用范围最为广泛的门类，应用于家用电器、手机及平板、充电及适配器、智能电表、照明、马达、通讯设备、工控设备等众多领域。

随着通信、汽车、工业等市场的不断发展，不同下游电子设备对于效率以及能量管理的需求日趋强烈和多样化。电源管理芯片从最初单一类型的DC转换器及稳压器开始发展，越来越多地与设计中的其他硬件组件结合在一起，保持效率并简化整个系统层面的控制，成为多功能、数模电路集成化的复杂芯片PMIC。

1、低压场景-非隔离器件:稳压器Regulator（包括DC-DC、LDO等）。在一些由电池供电的应用中，各类芯片和电子元器件无法直接使用电池电力，需要一个更低或者更高的电压才能正常运行，而在充放电过程中，电池的电压也会发生变化。电源管理器件可用来监控这种未调节的电池输入电压并使其保持稳定，一般可根据外部电源电压的高低分为隔离型与非隔离型器件。

非隔离式的电源转换方案中，有一条连接输入接地和输出接地的DC通路，并共享输入和输出接地，这些转换器被称为稳压器Regulator，因为它们可以根据需要提高、降低或者调节电压，然后把调整后的电压提供给系统子组件使用。根据所用的电压转换方式原理不同，稳压器可以区分为线性稳压器和开关式稳压器，设计工程师将基于输入电压、输出电压以及所需的电流负荷，为其系统设计选择适当的稳压器，稳压器属于电源管理的通用性芯片产品。

开关式稳压器利用开关场效应晶体管（FET）将直流（接近恒定）输入电压转换为交流波形（在两个值之间切换，“开关”），使用电容和电感重新转换成输出电压不同的直流电。开关式稳压器通常效率更高、更加灵活、体积更小，支持比线性稳压器更高的输出电流。但输出被调节后仍有波纹或开关噪声，即使经滤波后仍然存在。依据输出电压相较输入电压的变化情况，开关式稳压器可以分为降压型、升压型以及降-升压型三种，依据输入电源的不同可以灵活应用在各类便携设备的电源转换应用场景。

线性稳压器使用电阻型器件（线性器件）来调节输出电压，可以将输入电压转换成为不同的输出电压。线性稳压器能够提供无噪声输出，非常适合低功率输出应用。但它们的效率不高，只能用于逐步降低输出电压。低压差线性稳压器（LowDrop，LDO）是最常用的线性稳压器件，可以在供电电压和输出电压非常接近时调节输出电压水平，同时提供最好的电源抑制比及极低的静态电流（待机），能够最大限度的提升系统效率，是便携设备中最常用的稳压产品。

2、高压场景-隔离器件：转换器&控制器IsoPower。在各类高电压的使用场景中，往往需要对高低电压回路进行隔离，也就是采用变压器或电容式器件进行电力传输，高低压电路之间没有直接电路接触。高压场景下的电源管理芯片一般使用谐振控制器LLC，根据需求及原理的不同，可以基于PFC（功率因数校正）及PWM（脉冲宽度调制）等不同控制原理对高压管理、转换方案进行设计。

功率因数校正。功率因数是一种衡量电能被有效利用程度的方式，也就是有效功率/总耗电量。在电路中，只有电阻型器件会消耗功率而产生光/热等能源转换，而容/感负载只会存储能量，对外做虚功。PFC通过修正电压与电流的相位差达到使负载阻抗近似与电阻型的目标，一般采用主动式升压结构（BoostTopology）控制电路电流，实现PFC提升。工业、供电企业利用PFC原理，通过在用电前端提高电压，负载端补偿控制的方式，使得用电效率达到最大化。

脉冲宽度调制PWM是一种利用通过调制晶体管栅极偏置，输出一系列的脉冲波来代替原有正弦波模拟信号的方法。PWM的优点在于使用数字式的脉冲开闭代替原有的连续信号，从而使得信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小，被广泛的应用在通信传输以及工业伺服控制领域。

隔离式转换器可以利用PFC及PWM控制器，控制相应的电压转换器件工作，按照有源器件的数量，可以分为单管正激式（Forward）/反激式（Flyback）、双管推挽式（Push-pull）/半桥式（Half-Bridge）以及四管全桥式（Full-Bridge）五类，不同转换器以及控制电路组合成为完整的隔离高压电源控制转换方案。

如今的PMIC通过组合集成高压转换器、低压稳压器、各类接口和控制芯片以及逻辑IC产品，可以满足应用中的多种甚至全部电压调整、定序以及监控功能。这些多功能PMIC依据下游应用场景的需求进行FPGA定制，从而适用于多种不同应用，消除硬件电路更改的高成本，使得整体电源管理芯片小型化、集成化，并且减少产品迭代所需要的时间，以便携设备场景为基础，快速渗透至工业、汽车电子、通信等智能化电源管理需求激增的各个领域。

3、电池管理BMS：包括电池充电管理、监控电路、电池保护电路以及电量显示芯片等。最初的电池管理芯片多用在便携式设备消费场景中的各类锂电池中，随着新能源电动汽车、工业等领域的需求增长，锂电池材料技术的不断进步，对于高压场景下400、800V的电池管理系统需要综合更多隔离屏蔽技术以及更加先进的电池管理芯片，未来发展空间广阔。

• 电池充电管理：结合各类稳压器技术以及负载开关装置，实现对电池充电的高功率密度、低静态电流、高散热性的要求，能够同时适配USB，Type-C等各类接口实现快速充电管理的控制IC；

• 监控与保护：实时提供电池电压、温度和电流的精确读数，精确的监控可提高电源使用效率，从而延长运行时间并降低电池尺寸和成本。监控保护电路的应用场景从5V延伸至800V以上，尤其在汽车电动化领域分布式电池组中有重大意义，决定了能源系统的安全性能。

驱动Drivers：工作电路与控制电路间的连接枢纽

驱动电路（DriverCircuit）是位于工作电路（主电路）和控制电路之间，用来对控制电路的信号进行放大的中间电路。驱动电路基本任务，就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。驱动电路的实质是放大开通及关闭信号，最主要的性能指标是系统可靠性，上升、下降沿效率以及隔离、电磁屏蔽的功能。

在理想情况下，当电源管理芯片能够输出足够高峰值电流信号，且MOS管开闭速度足够快的情况下，我们可以直接使用PMIC芯片输出PWM信号驱动工作电路。但是在现实应用中，各种复杂应用场景下，对信号上升下降速度要求、峰值电流以及电路负载的变化、过高的工作电压使得需要单独的驱动芯片DriverIC驱动工作电路对外做功。

LED驱动芯片：生活中大部分的人造光源来自于LED，MCU等控制器需要输出关于亮度灰度的PWM信号经过LED驱动，从而决定其显示效果。传统的驱动IC更多调控的是电压信号，而LED的二极管特性决定了极小的电流幅度变化就会对偏压电流造成极大影响，所以需要使用恒流驱动或者PWM的模式驱动LED照明。

作为最常见的照明光源，其核心器件LED驱动被广泛使用在汽车、工业、商用照明的场景中，行业发展成熟。随着碳中和宏观要求的出现，节能趋势在LED驱动行业中愈发显著，更低功耗、高对比低亮度等指标成为驱动IC的主要技术发展方向。

显示驱动IC/面板驱动：21世纪以来，消费电子产品需求快速增长，对平面显示（面板）的要求越来越高。目前市面上主流显示技术包括TFT-LCD以及OLED，均需要IC控制每个像素电极的通断，控制液晶材料分子排列变化，从而控制面板的明暗及灰度变化进行显示。在面板驱动IC中，一般分为栅极驱动GateDriver和源极驱动SourceDriver，分别驱动控制像素点的Y轴及X轴，形成二维平面上的显示控制。

栅极驱动决定Y轴像素位置，决定液晶分子扭转速度，也称为扫描驱动/行驱动。由于高压有源器件难以集成化和小型化，所以栅极驱动核心技术是隔离高压和快速导通的模拟制程，技术难度高，经验积累需求较高，基本只有TI、Sharp等少部分厂商能够提供。

源极驱动负责将导通信号传递给需要点亮的像素，也成为数据传输驱动/列驱动。源极驱动牵涉到复杂的模数转换功能，对频率设计要求较高，电路设计复杂，电压相对较低。其模拟部分电路需要利用高速ADC功能带动信号转换，同时需要电荷泵技术驱动液晶扭转。

由于不同面积的面板其驱动IC的布局及设计方式大不相同，驱动IC也成为整个面板显示半导体的核心器件，驱动IC的缺货直接影响到整个显示行业的供需关系变化，大幅影响面板价格。

电机驱动MotorDrive。电机驱动利用栅极驱动的原理，恒定功率输出并控制动力系统旋转，是工业、汽车领域能源转换动力的核心器件。电机驱动的关键性能指标有调速、负载范围、隔离性能及可靠性等。在汽车领域，随着电动汽车电池性能的快速发展，异步直流电机以及永磁无刷直流电机BLDC驱动技术快速发展，承担了车辆在各种复杂场景下加减速、动力回馈、爬坡及频繁启停的功能，技术附加值极高。

下游应用：伴随通信、消费类场景成长，逐步渗透工业、计算、汽车领域

电源链产品存在于所有电子设备中，基于特定应用场景开发不同集成方案。从下游应用场景来看，电源管理芯片广泛应用于通讯设备、消费电子、工业控制、汽车电子、医疗仪器等领域，由于移动设备的快速发展，通讯及消费电子场景的电源链产品占比较高。电源管理芯片行业的技术门槛较之信号链低，低端成熟市场价格竞争激烈，而随着物联网、新能源、AI计算和自动驾驶等新兴应用领域的发展，电源链产品下游逐渐开始从消费类领域向技术要求高、定制化及附加价值高的工业、汽车电子等领域转型。

相比信号链产品，电源链产品基于电源管理产业，行业历史仅有约40年。1975年，第一款集成PWM控制器由SiliconGenerals公司发明，成功的将数字及模拟器件进行片上集成，从而实现了单芯片的开关电源调控技术。80年代开始，随着新技术（功率因数校正、准谐振）、新工艺（BiCMOS、BCD）的不断涌现和下游新兴场景的快速发展，电源管理行业向着小体积、低功耗等目标飞速发展，迅速扩张成为模拟芯片产业的下游最大市场。

21世纪开始，通信需求的飞速增长以及便携式设备的出现为电源管理行业注入新的活力。在小型便携设备如手机、数码相机、笔记本中，往往1-2块电源管理芯片以及驱动芯片就能够提供复杂的多路电源，提供集成式的电源管理功能，所以目前消费类、通信类市场是电源链产品的主要应用场景；而在未来，随着工业、AioT、计算以及新能源、汽车电子领域电力管理需求不断增长，电源链产品将快速渗透至这些新兴应用场景中。

• 通信市场：受益5G基础建设迎来高速增长期。通信类市场是目前最大的电源链市场，按照下游设备不同可以分为基站、终端以及路由器市场。随着5G通信标准的变化带动下游市场的基础设施建设的逐渐完善，5G宏基站、微基站的数量大幅增长，同时电源面对的需求和使用场景也更加复杂。

• 5G通信场景下，使用更高工作频段实现高速率低延时；MIMO和波束整合技术对于基站的电源成本和散热提出挑战；通信设备往往需要对3、4、5G设备供电，组合通道更加丰富，包括UPS、-48V、HVDC等等。一般来说，5G小基站需要20颗左右的PMIC，中型、宏基站需要的PMIC数量在60-120颗之间。基础设施的大量建设以及单机用量的增长将继续带动通信市场电源链产品快速发展。

• 消费类：移动设备新品类层出不穷，快速迭代的下游需求催生庞大市场。21世纪以来，各类便携式电子设备层出不穷，而快速迭代的下游产品也使得消费类电源链产品市场规模不断扩大，仅次于通信类市场。以手机为例，3、4G智能机只需要2-5颗电源管理IC，随着5G手机模块功能复杂化，一台5G智能手机目前需要至少8-10颗电源管理IC，用于管理摄像头、显示器、射频和整体电路。

在快充领域，只有搭配20W及以上的PD快充充电器才能实现全速充电，且手机端和充电器端均需装载快充芯片，由于电压相对较高，需要同步搭配稳压器、IsoPower控制器以及快充协议电池管理IC等等电源链芯片，手机端及快充端至少需要增加5-6颗PMIC。

除手机市场外，TWS及可穿戴设备等新兴产品也不断拓展消费类电源链产品的边界。根据Canalys预测，2024年TWS耳机市场出货量将超过5亿部，可穿戴设备出货量超过2.5亿部。小型可穿戴设备中，电源链产品包含无线充电管理芯片、同步稳压器、LDO、过载电流保护IC、音频驱动等等不同产品，同时对电源链芯片的集成化程度、体积及散热性能也提出了更高的要求。下游设备的新品推出及出货量增长将继续推动消费类电源链产品市场多样化高速成长。

• AIoT：百亿级别终端数量带来广阔市场空间。随着通信市场的逐渐成熟，物联网市场设备连接数量指数级增长。根据IoTAnalytics预计，2020年全网物联网连接数量将达到117亿部，首次超过非物联网（通信、消费设备）涉币连接数，15-20年复合增速达到29%，预计到2025年物联网连接设备数将超过309亿部，五年复合增速为21%。尽管目前物联网设备电源链产品单机用量较少，百亿数量级的设备连接数也将为PMIC产品带来广阔市场空间。

• 工业控制类：驱动电路、高压控制产品精细化发展。工业领域高压、高功率的需求决定了相关电路能耗极大，这为使用驱动电路和电源管理IC提供了广阔的发展空间。电机消耗能量占据工业设备能量的绝大部分，诸如隔离开关、高压控制电路能够有效的管理、控制电机能耗；另一方面，工业控制对智能、安全、小型化的追求使得电机控制器市场飞速发展，栅极驱动器、BLDC电机驱动等产品能够保证在高压环境下驱动电路稳定、安全的运行。2021年上半年开始，在安防、工控、LED领域对能效智能管理IC的上涨需求导致相关PMIC和驱动IC成为市场上芯片缺货最严重的细分品类之一。

• 新能源及汽车电子：电动汽车高压应用驱动市场发展。在车规市场中，对模拟芯片的可靠性及稳定性要求较高，甚至部分产品需要0失效率级别的严苛指标，故在车规、航空市场中，相关电源管理器件的单价往往较高。

新能源车的发展离不开电池充电管理以及充电设施的建设。在电池管理系统方案中，除了正常的DCDC转换器、LDO降压器件，由于电动车电池组电压可高达400v以上，还需要对电路进行较好的隔离设计；在充电桩及电压转换设计上，快速充电模块需要更多的隔离器件，从而将大功率系统和低压控制系统以及数字运算系统分割。电动汽车高电压、高功率的工作环境需要更加严格的EMI/EMC屏蔽测试，确保车载低压电气系统和精密的ADAS平台不受到电磁冲击的影响。

根据EVSales统计，2020年全球电动车及混动车销量达到312万台，电动车渗透率从19年的2.5%提升至4.1%；其中欧洲市场销量为140万台，位居地区分类统计第一名。中国、欧洲、美国地区市场对于充电设施、电动车行业的政策推动及消费需求都不断上涨，随着电动车渗透率加速上涨，未来有望成为电源链芯片的一大重要下游应用场景。

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