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感知隔离与驱动,纳芯微打造泛能源汽车

发布时间:2022/12/23 17:25:12   
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(报告出品方/分析师:华鑫证券毛正刘煜)

1、高景气泛能源与汽车电子助力信号感知与隔离技术发展

1.1、信号感知:MEMS市场持续扩张,重视磁传感机会

在信号感知方向,传感器是将现实世界的信号转化为数字世界信号的装置,是数字世界信号处理的起点。

一个完整的传感器由前端的敏感元件和后端的信号调理ASIC芯片构成,其中传感器敏感元件是可以测量某种类型的物理量,如压力、声音、温度、湿度、磁场、光强等,并把这些物理量转化为电信号的一种器件。

但由于传感器敏感元件的输出一般是相当微弱的模拟信号,如微弱的电压、电流或电阻的变化等,不能直接用于一般的电子设备或系统,因此需要信号调理ASIC芯片对该输出信号进行放大和模数转换。

另外,传感器敏感元件的输出信号往往存在非线性和温度系数过大等问题,也需要传感器信号调理ASIC芯片对非理想因素进行校准处理,去除环境因素导致的输出偏差。

随着下游行业的迅速发展,全球终端市场对传感器的需求大幅提升。

根据Yole的预测数据,年全球MEMS行业市场规模为亿美元,预计在年将达到亿美元,复合增长率达到9%。

细分终端应用领域来看,年MEMS传感器在消费电子领域市场规模为亿美元(CAGR9%),在工业领域市场规模为33亿美元(CAGR7%),在通信领域市场规模为3亿美元(CAGR25%),在汽车领域市场规模为41亿美元(CAGR10%),在医疗和国防与航空航天领域市场规模分别为9亿美元(CAGR4%)和13亿美元(CAGR10%)。

信号调理ASIC芯片作为传感器信号放大、转换、校准等处理的重要元件,其市场规模也随着MEMS传感器的发展而逐年扩张。

国内市场方面,根据赛迪顾问的数据,年中国MEMS传感器的市场规模为.3亿元,年市场规模增长至.8亿元,预计年市场规模将增长至.4亿元。

从细分领域来看,射频MEMS以25.9%的比例成为年最广泛应用的MEMS产品,MEMS压力传感器占比19.2%,位居第二,排名三至四位的分别是IMU惯性传感器、MEMS麦克风传感器,市场占比分别为8.9%和7.1%。

磁传感器是一种把磁场、电流、应力应变、温度、光等外界因素引起的敏感元件磁性能变化转换成电信号,以此来检测相应物理量的器件,常用于感测速度、运动和方向,应用领域包括汽车、无线和消费电子、军事、能源、医疗和数据处理等。

磁传感器市场按照技术进步的发展主要分为四大类:霍尔效应(HallEffect)传感器、各向异性磁阻(AMR)传感器、巨磁阻(GMR)传感器和隧道磁阻(TMR)传感器,其中霍尔效应传感器的历史最悠久,其原理是当电流通过磁场中的霍尔元件时,磁场会对霍尔元件中的电子产生垂直于电子运动方向的作用力,使得在垂直导体与磁感线方向正负电荷聚集形成霍尔电压。

根据Yole的数据显示,霍尔传感器在磁传感器市场占比达到67%。

1.2、隔离与隔离+:高压电源场景安规器件,市场空间广阔

隔离器件是将输入信号进行转换并输出,以实现输入、输出两端电气隔离的一种安规器件。

电气隔离能够保证强电电路和弱电电路之间信号传输的安全性,如果没有进行电气隔离,一旦发生故障强电电路的电流将直接流到弱电电路,可能会对人员安全造成伤害或对电路及设备造成损害。另外,电气隔离去除了两个电路之间的接地环路,可以阻断共模、浪涌等干扰信号的传播,让电子系统具有更高的安全性和可靠性。

一般来说,涉及到高电压(强电)和低电压(弱电)之间信号传输的设备大都需要进行电气隔离并通过安规认证,隔离器件广泛应用于信息通讯、电力电表、工业控制、光伏储能、新能源汽车等各个领域。

从技术路线上来说,隔离器件可以分为光耦和数字隔离芯片两种。

光耦是上世纪70年代发展起来的隔离器件,直至年代后期光耦都是市场上唯一的解决方案,目前仍占据70%的隔离市场,未来随着数字隔离成本降低有望逐步实现对光耦隔离的替代。

相比传统光耦,数字隔离芯片是更新一代、尺寸更小、速度更快、功耗更低、温度范围更广的隔离器件,并且拥有更高的可靠性和更长的寿命,按实现原理可分为磁感隔离芯片(简称“磁耦”)、电容耦合隔离芯片(简称“容耦”)和巨磁阻隔离等类型,其中容耦是通过电容耦合技术利用电容内部的电场变化来实现数字信号的传输,相较磁耦具备成本低、辐射低的优势,同时容耦所采用的OOK信号调制方式相较于磁耦的边沿传输具备高共模抑制、低误码率等优势,目前在数字隔离应用中占比超过七成,而巨磁阻隔离的应用则相对较少。

根据QYResearch数据,年全球数字隔离芯片市场规模为3.26亿美元,预计至年市场规模将达到5.58亿美元,-年CAGR达9.37%。

隔离+类芯片是数字隔离芯片和功能器件集成而成,具备隔离+功能属性,整体市场空间更为广阔,形态包括隔离电源芯片(数字隔离芯片+电源)、隔离接口芯片(数字隔离芯片+接口)、隔离驱动芯片(数字隔离芯片+驱动)、隔离运放芯片(数字隔离芯片+运放/ADC/采样)。

根据MarketsandMarkets的数据,年数字隔离类芯片在工业领域上使用最多,占比达28.58%,其次是汽车电子行业,占比达16.84%,通信领域位居第三,占比达14.11%。

未来随着工业自动化和汽车电气化进程的推进,根据MarketsandMarkets的统计,与年相比,年工业领域、汽车电子领域和通信领域在数字隔离类芯片的市场占比将分别稳定在28.8%、16.79%和14.31%。

接口芯片是基于通用和特定协议且具有通信功能的芯片,广泛应用于电子系统之间的信号传输,可提高系统性能和可靠性,常见包括I2C、RS-、CAN等不同标准的接口芯片,按是否具有隔离功能可分为隔离接口芯片和非隔离接口芯片。

根据QYResearch数据,年全球隔离接口市场规模为3.13亿美元,预计年将增长为3.54亿美元,至年市场规模有望达到7.98亿美元,-年复合增长率达到14.48%。

驱动芯片是用来驱动MOSFET、IGBT、SiC、GaN等功率器件的芯片,能够放大控制芯片(MCU)的逻辑信号,包括放大电压幅度、增强电流输出能力,以实现快速开启和关断功率器件,隔离驱动芯片能够在驱动功率器件的同时,提供原副边电气隔离功能。

根据驱动芯片应用领域的不同可以分为马达/电机驱动芯片、显示驱动芯片、照明驱动芯片、音圈马达驱动芯片、音频功放芯片等。

根据弗若斯特-沙利文统计数据,年全球市场驱动芯片出货量共.37亿颗,中国市场为.31亿颗,预计年全球驱动芯片出货量将达.4亿颗,其中中国市场预计出货量为.51亿颗。同时根据弗若斯特-沙利文的统计数据,年驱动芯片的下游产品中电机驱动芯片的占比最高,并且在年至年都将保持占有率第一的地位。

电机驱动芯片可以用来驱动交流电机、直流电机、步进电机和继电器等感性负载,广泛用于工业自动化,数字电源,光伏和新能源汽车等领域。

采样芯片是实现高精度信号采集及传输的芯片,主要用于系统中电流、电压等模拟信号的监控,隔离采样芯片可在采样的基础上提供原副边电气隔离功能。

根据ReportsandData的统计数据,年全球ADC市场规模为25.5亿美元,预计该市场在年至年期间的年均复合年增长率为4.9%,至年市场规模增长至37.9亿美元。

1.3、汽车电子与泛能源高景气,感知与隔离市场扩容

新能源车与光伏等能源市场持续高景气,感知芯片和隔离类芯片市场受益快速增长。

感知:汽车传感器最初用于发动机中,随着汽车性能的提升传感器的应用更加广泛,现拓展到安全系统、舒适系统等方面,其数量和种类均不断增加。

根据博世估计,目前一辆汽车上安装有超过50个MEMS传感器,其中应用较多的是加速度、压力传感器及陀螺仪等传感器。

从单车价值量来看,传统油车中传感器的单车价值量约44.16美元,纯电动车传感器价值量上升至49.58美元。

汽车智能化和网联化的发展增强了汽车对于信息的感知、处理与交互需求,需要更多的传感器进行外部环境感知和内部人机交互,尤其在自动驾驶进入到相对高阶的L4/L5级别后,预计超声波传感器以及车身感知传感器的需求也将快速增长。

在汽车“三化”发展的推动下,单车磁传感器用量上升。

车载磁传感器在磁传感应用市场中占据70%以上份额,主要被用于车速、倾角、角度、距离、接近、位置等参数检测以及导航、定位等方面的应用,比如车速测量、踏板位置、变速箱位置、电机旋转、助力扭矩测量、曲轴位置、倾角测量、电子导航、防抱死检测、泊车定位等。根据ICVTank数据统计,传统燃油车中使用约30个磁性传感器,在混合动力或纯电动汽车中磁性传感器数量增加到50个左右。

随着新能源汽车渗透率的提高和单车磁性传感器数量的增加,汽车磁性传感器和芯片的市场规模有望大幅增加。

根据ICVTank数据在汽车磁传感器中芯片价格占传感器总价格比重超过六成,年全球汽车磁传感器市场规模达到15.65亿美元,预计在年达到25.97亿美元,CAGR为5.79%,同时年全球汽车磁传感器芯片的市场规模达到10.02亿美元,预计在年达到21.3亿美元,CAGR为8.74%;国内市场方面,年中国汽车磁传感器市场规模达到5.33亿美元,预计在年达到8.58亿美元,CAGR为5.43%,同时年中国汽车磁传感器芯片的市场规模达到3.41亿美元,预计在年达到7.04亿美元,CAGR为8.37%。

霍尔电流传感器是光伏并网逆变器中的核心检测元件。

典型的分布式光伏逆变器的拓扑包含了直流输入环节(组串输入汇流),直流升压环节(BoostMPPT线路),直流逆变交流环节(DC/AC线路),以及交流输出环节(漏电流检测),电流检测在每一个环节必不可少,受益于光伏装机量持续提升霍尔电流传感器市场空间持续扩大。此外,磁传感器在工业(不间断电源/大型变频电机/焊接系统)、医疗、消费电子、航天军工等应用领域中亦有大量需求存在。

隔离:新能源汽车的电气化程度更高,出于安规和设备保护的需求,数字隔离类芯片将更多地应用于新能源汽车高瓦数功率电子设备中,包括车载充电器、电池管理系统、DC/DC转换器、电机控制驱动逆变器、CAN/LIN总线通讯等汽电子系统,成为新型电子传动系统和电池系统的关键组件。

以电机驱动为例,ECU和电机控制器之间的CAN通讯需要隔离芯片,功率管和控制器之间需要隔离栅极驱动器,电机驱动的电流采样需要隔离ADC/隔离运放。除了对隔离芯片数量需求的提升,新能源汽车还提升了对隔离技术的要求,纯电汽车或各种形式的混合动力电动汽车的高压电池可达到V-V,同时具有较高的运行温度,数字隔离芯片需要具有高耐压的特性以及满足车规级温度要求,传统的光耦的已经不能应对在高温环境下工作的需要。

根据公司披露数据,每台新能源汽车使用数字隔离类芯片的数量约为35颗,价值约为-元,其中每台新能源汽车使用隔离驱动芯片的数量约为20颗,价值约为元。

因此,国内新能源汽车的持续增量将带动数字隔离类芯片的需求大幅增长,碳中和政策背景下,新能源车渗透率加速提升,预计到年全球新能源乘用车的销量将突破0万台,同时中国市场新能源车销量将达到万辆以上,按隔离类芯片单车元的价值量进行测算,至年全球新能源车用隔离产品市场规模将超过60亿元,国内新能源车用隔离产品市场规模将超过30亿元。

光伏装机量提升、充电桩逐渐普及驱动隔离市场扩容。

《中国年光伏发展展望》明确指出年至年中国光伏将启动加速部署,到年光伏将成为中国第一大电源,CPIA数据预计“十四五”期间国内年均光伏新增装机量为70-90GW,根据公司

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