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“断链”笼罩下,电源管理IC车用前景如何?

“断链”笼罩下,电源管理IC车用前景如何?

2020年是极为特殊的一年,全球半导体市场在新冠疫情、贸易战等事件的影响下变得步伐凌乱,供应链“断链”的恐慌情绪几乎覆盖了整个2020年,甚至蔓延至2021年。电源管理芯片作为电子设备电能供应的中枢以及模拟芯片最大的细分市场,其受影响程度如何?在车用市场的发展趋势又如何?

2020年电源管理IC业绩回顾

来自乘用车市场信息联席会的数据显示,2020年全球汽车销量总计7803万辆,同比下降13%,中国市场所占份额为32%。按季度来看,2020年Q1全球汽车销量下降24%,Q2下降29%,Q3迅速好转,仅同比下降2%,Q4更是同比增长2%。uCMesmc

那么,在此背景下,电源管理IC巨头2020年在车用市场的业绩如何?据德州仪器(TI)财报显示,2020年其营收为144.61亿美元,比2019年略有增长,毛利仍高达64%,净利润55.95亿美元,同比增长11.52%。uCMesmc

因2019年车市低迷以及2020年上半年疫情爆发,TI汽车业务受到些许程度的影响,但今年Q1 TI曾公开表示,公司用于汽车、消费电子产品及工业用途的半导体需求正持续复苏。uCMesmc

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安森美半导体汽车战略及业务拓展副总裁Joseph NotarouCMesmc

安森美汽车业务下滑但好于全球平均水平。“汽车业务占安森美总收入的30%以上。”安森美半导体汽车战略及业务拓展副总裁Joseph Notaro表示,公司2020年汽车收入同比2019年下降7.5%,但显著优于2020年全球汽车市场降速(后者同比下降16%)。2020年Q4安森美汽车业务占比达到34%,汽车收入更是达到创纪录的4.91亿美元。uCMesmc

在《国际电子商情》看来,安森美汽车业务成长得益于全球汽车复苏、公司产品用于车用增长最快的领域且用量不断增加,如汽车功能电子化、ADAS、自动驾驶、电源、模拟及感知方案等,都是其专长的领域。uCMesmc

除了安森美高达30%以上的汽车业务,瑞萨电子更是有着高达50%的营收(3410亿日元,约合220.3亿人民币)来自汽车电子业务。同TI一样,2019年瑞萨的业绩因汽车市场低迷稍有影响,但2020年下半年受益行情反转业绩向好。uCMesmc

除此之外,模拟IC巨头如Infineon 2020年营收达103亿美元,同比增长6.7%,其汽车业务贡献了全年营收的43%;ADI 2020年营业收入为56.03亿美元,同比下跌6.48%;NXP营业收入为86.12亿美元,同比下跌2.99%;ST 2020年全年收入达到102.2亿美元,同比增长6.9%。uCMesmc

总而言之,2020年受到疫情以及国际环境等因素的影响,部分模拟半导体原厂的业绩受到波及,有望借助2021的利好行情实现业绩反转。(注明:大多数公司财报为非自然年财报且起始-终止月份各有差异。)uCMesmc

车用标准高,GaN/SiC引发电源管理大变革

电源管理芯片正由手机等消费电子产品向高端工业和汽车渗透。相比工业级和消费级应用,车用市场对电源管理IC的技术需求有明显差别。uCMesmc

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恩智浦能源驱动类产品部应用与芯片验证高级经理乔旭彤uCMesmc

恩智浦能源驱动类产品部应用与芯片验证高级经理乔旭彤分析称,相比工业应用,汽车平台要求参数(如电压、频率、功率)范围更稳定,因此汽车芯片功能更复杂,产品也更具针对性。而相对消费类BMS(电池管理系统)芯片,汽车BMS芯片对性能、精度、质量、寿命、使用环境的严苛程度都有着更高的要求。uCMesmc

从驱动来看,汽车有着更强的标准要求,如系统功能安全设计、软件开放系统架构(AUTOSAR)等。芯片上车使用前,均需通过车规级质量检测与认证,比如AECQ-100检测、寿命及可靠性测试需超过2000小时。uCMesmc

我们看到,消费者希望充电时间更快、续航里程更长,但电池的空间、重量和成本都很有限。真正的问题可能并不在于储能,而在于使用能效。而真正的创新归于系统层面,因此氮化镓(GaN)及更特定的碳化硅(SiC)等技术对电动汽车的未来很重要。uCMesmc

安森美Joseph Notaro强调说,目前新的储能方案,如燃料电池正在开发中,但这些仍只提供电压和电流,要想充分利用储存的能量,仍有赖于正在开发的半导体技术。SiC确实是赋能技术,利用SiC的系统可向更高电压系统发展,实现更快的充电,它比包括IGBT在内的传统技术更高效。uCMesmc

如上所述,第三代化合物材料(GaN/SiC)的应用引发了电源管理芯片的大变革。不同原厂在汽车领域布局GaN/SiC电源管理产品上有各自的规划和进展。uCMesmc

安森美Joseph Notaro认为SiC目前已有取代硅的迹象,且在高电压电池应用上GaN的重要性不如SiC。在他看来,工程师可着眼于碳化硅提供的主要优点,如更快的开关时间和更高的工作温度,看看如何利用这些优点来开发提及更小、更高效的新系统。uCMesmc

对消费者而言,这意味着在电池尺寸不变的情况下增加续航里程,或使用更小的电池达到相同的续航里程,从而降低车辆成本。这对于为短途通勤而设计的城市车辆来说可能很重要,对于旨在提供更长续航里程的大型家庭轿车来说也同样重要。uCMesmc

“GaN也可为DC-DC转换和OBC(车载充电器)等应用带来优势,但随着行业向800V以上的更高电池电压水平发展,GaN的重要性不如SiC。在较低的电压水平上,GaN极具竞争力,但在650 V左右的电压水平上,SiC是最主要的技术。”Joseph Notaro强调说。uCMesmc

安森美不断推出新的方案以满足高功率应用的需求,包括最近推出一系列新的符合AEC-Q101标准的650 V SiC MOSFET产品。2020年11月,安森美半导体的VE-Trac Dual功率模块NVG800A75L4DSC喜获ASPENCORE全球电子成就奖(WEAA)之年度创新产品奖。VE-Trac Dual系列功率模块专为插电式混合动力汽车(PHEV)、全混合动力汽车(HEV)、电池电动汽车(BEV)和燃料电池电动汽车(FCEV)设计。它针对牵引逆变器进行了优化,在小封装中提供高功率密度。uCMesmc

恩智浦乔旭彤认为,GaN/SiC的应用使系统更高速、高压和高效,这带给驱动芯片更高的要求,即需要更快的处理速度、更强的耐压值与更快更强的保护措施。因此,一个高效的GaN/SiC必须搭配一个高效的驱动芯片,才能达到系统效率的提升。目前,恩智浦已经拥有SiC的驱动产品,可以做到<1us的短路保护,并可匹配市面主流SiC的参数,而GaN驱动产品也在计划中。uCMesmc

对于电源管理芯片的发展趋势,TI汽车电池产品市场经理Dan Torres表示,随着汽车电气化进程的不断发展,以及消费者接受率的不断提高,汽车制造商和设计工程师将面临更大的挑战,以求大规模提供高性能且经济实惠的汽车。目前,可扩展性等问题使得制造商难以快速进行新设计。uCMesmc

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德州仪器汽车电池产品市场经理Dan TorresuCMesmc

“将来我们会看到更多的电力电子供应商推出更具成本效益和可扩展性的电池系统,以满足汽车制造业的需求,这包括电池模块的创新,如推动包含更多功能的电池监控器和平衡器发展,帮助减少整体物料清单(BOM)。在电池断开单元或接线盒中,我们将添加智能模拟前端以在本地感测各种信号,无需向系统添加额外的微控制器,从而提高集成度并降低总体开发成本。”Dan Torres说。uCMesmc

为满足可扩展性的需求,制造商将设计出支持各种电池化学成分的系统,解决成本和空间限制,同时增强行驶范围和性能。工程师们常被迫设计和开发不同模块尺寸的系统(从6s至20s)以更大限度地利用车内的BMS空间,这促使设计工程师不断寻找可在其设计中重复使用的解决方案,缩短上市时间。例如,TI最新的电池监控器和平衡器系列在同一封装中提供了多个通道选项、引脚到引脚的兼容性,并且保证已有软件可以100%重复使用。uCMesmc

对汽车“缺芯”的回应

缺芯已致主要车厂大面积减产,给汽车产业链造成不小的压力。2021年2月17日,IHS Market指出,缺芯可能导致Q1全球近100万辆轻型车辆减产。三菱汽车表示4月将在日本和泰国工厂减产7500辆汽车。美国伯恩斯坦研究公司预计,2021年全球将有450万辆汽车因缺芯减产,接近年总产量的5%。uCMesmc

半导体原厂对于芯片缺货现象会如何应对?德州仪器首席财务官Rafael Lizardi曾公开表示,TI自行生产芯片比重约占80%,出货量符合订单需求,相信未来能维持出货情况。uCMesmc

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瑞萨电子中国汽车模拟事业中心高级工程师张玮uCMesmc

瑞萨电子中国汽车模拟事业中心高级工程师张玮坦言,2020年由于新冠病毒爆发、地缘政治问题以及厂商自身策略等多方面因素的影响,芯片缺货蔓延到多个领域,尤其是在汽车领域,但缺芯并不能仅仅依靠半导体制造商提高产能来解决。uCMesmc

他表示在3月初瑞萨电子召开的全球战略会议上,公司CEO柴田英利也表示目前瑞萨没有扩产计划,现在更主要的问题是半导体材料供应的紧缺,而不是生产方面的紧缺,仅仅依靠增加产能并不能解决问题。uCMesmc

瑞萨之所以会有这样的决定,一方面是因为早前在日本发生的地震并没有严重影响公司现有产能;另一方面,公司也把之前在台积电投片的部分产品转回瑞萨电子自有工厂生产,以此让瑞萨电子在芯片供应有了一定的保障。uCMesmc

更有服务器芯片厂商腾出产能生产汽车芯片。2021年4月12日,美国白宫就芯片短缺问题举行线上峰会,英特尔商谈将为汽车制造商生产车用芯片,以缓解通用、福特等车厂闲置问题。uCMesmc

《国际电子商情》认为,汽车缺芯主要因为产能错配,芯片原厂在2020年疫情爆发前期对汽车需求预判过于保守,致使台积电等晶圆厂将产能分配给需求更为旺盛的PC、Pad、Notebook、游戏机、小家电等消费电子市场。除此,汽车“智能化”、“电子化”趋势对芯片需求量的提升也是缺芯的原因之一。uCMesmc

由于整车厂从向原厂下单到汽车出厂的周期是6个月,从汽车缺芯集中爆发的时间点为去年底来看,至少今年6月份才能初步实现首批次的订单缓解。不过更为严峻的是,目前台积电等Foundry厂产能已经拉满,可能难以按常规预期实现汽车芯片的产能释放,这无疑将进一步拉长汽车芯片的供应周期。uCMesmc

尽管TI、NXP、ONsemi、Renesas、ST、Infineon等半导体原厂都是IDM模式,即在全球范围内都有自己的工厂(主要集中在东南亚),但受到疫情反复以及火灾、雪灾、停电等诸多因素影响而抑制产能释放。uCMesmc

电源管理芯片是除MCU之外最紧缺的芯片品类之一。截至今年3月底,国际半导体厂商的交期已经高达20-24周,个别厂商交期已高达40-52周。为排挤出Overbooking的泡沫,年初NXP、Microchip等原厂已将NCNR(不可取消订单,不可退货)的规定延长至12个月,对原厂来说,这是尽可能保证终端需求真实的方法,也为自身的扩产计划提供了更可靠的依据。uCMesmc

《国际电子商情》预判,汽车缺芯现象要到2021年Q4才能缓解,部分行业人士更为悲观地认为汽车缺芯要到2022年才能完全缓解。可以说,缺芯是目前电子产业链共同面临的挑战,对终端需求做准确预判、并做出相对准确的产能规划,是每一个半导体原厂必须深思的问题。uCMesmc

并购以扩大规模,竞争格局日渐收拢

电源管理IC是模拟IC的重要组成部分,占模拟芯片比重超四成。目前全球模拟IC市场竞争格局日趋集中,且排名前十的企业多通过并购实现技术互补和规模扩展。2015年-2020年间出现了大规模模拟IC原厂之间的并购。uCMesmc

TI在2011年收购了美国国家半导体(NS),进一步丰富了电源管理IC和分立功率器件的种类;ONsemi在2016年完成收购Fairchild;Infineon于2015年收购国际整流器(IR);Renesas于2016年收购Intersil,2019年收购IDT;ADI于2016年收购了Linear,2020年再收购Maxim;2015年NXP收购Freescale;Microchip先后收购了Micrel和Atmel等等。uCMesmc

瑞萨在收购Intersil和IDT后,主要由两大事业部组成,分别是面向汽车电子的汽车电子事业部(简称ABU)和面向工业、物联网与基础设施的物联网及基础设施事业部(简称IIBU)。uCMesmc

据《国际电子商情》了解,立足于车辆控制领域极具影响力的MCU产品,瑞萨电子还集成高端ADAS/自动驾驶和网关的SoC业务,并将扩展模拟和电源产品到xEV(BMIC/IGBT)、ADAS/自动驾驶传感器(Lidar/Radar)领域,这一战略也已通过Intersil/IDT的收购付诸实践。uCMesmc

“数字电路得益于摩尔定律,每两年所赚的钱能增加一倍。”安森美Joseph Notaro表示,“当我们谈及功率时,元器件是有能量限制的,它更多取决于相关的物理学。这意味着企业不能靠转到下一个节点来“免费”增加产能。增加产能的唯一方法是制造更多的晶圆。这也是安森美从格芯(Global Foundries)买下300mm东菲什基尔工厂以提高产能的部分原因。uCMesmc

在Joseph Notaro看来,这样做的利好在于,由于数字世界确实得益于摩尔定律,它们实际上需要的晶圆厂空间成比例地减少。这可能意味着老旧的数字晶圆厂可以重新用于生产功率器件,而对数字器件的需求将以技术创新来满足。uCMesmc

在汽车电源管理方面,安森美在收购Fairchild之后,获得了在牵引逆变器、车载充电器和汽车功能电子化的领先技术和专长。结合安森美半导体的制造、规模、销售范围及技术,目前已成为电动汽车市场不可或缺的供应商。uCMesmc

总之,随着汽车“智能化”时代到来,电源管理IC未来在车用市场的前景非常可观。伴随着第三代宽禁带半导体材料工艺的发展成熟,电源管理IC将在大功率产品应用中实现技术飞跃。从市场供需来看,截至今年4月底,电源管理IC在产能和交期方面仍将面临一定挑战。从市场机遇来看,中国是全球最大的半导体产品消费市场以及全球最大的汽车生产国和消费国,蕴藏着诸多机遇,相信国际半导体原厂领先的技术加上中国广阔的市场空间,未来一定会擦碰出新的火花!uCMesmc

本文为《国际电子商情》2021年6月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里uCMesmc

原创
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王琼芳
有着十多年半导体行业工作经验,主要负责《国际电子商情》杂志/网站/微信等平台的内容运营,擅长行业深度报道与产业趋势分析,重点关注半导体IC及分销与供应链。
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