电源管理芯片(Power Management Integrated Circuits),是在电子设备系统中担负起对电能的变换、分配、检测及其他电能管理的职责的芯片。其主要负责识别、控制CPU供电幅值,产生相应的短矩波,推动后级电路进行功率输出。

 

所有电子设备都有电源,但是不同的系统对电源的要求不同。为了发挥电子系统的最佳性能,需要选择最适合的电源管理方式。为此,电源管理的创新芯片在不同产品应用中发挥不同的电压、电流管理功能,就需要针对不同下游应用采用不同的电路设计,同时电子产品中根据不同芯片的功能需要配备不同的电压、电流强度。因此,电源管理芯片已成为电子设备的重要有机构成。

 

以手机为例,智能手机由许多功能不同的模块组成,每个模块需要的工作电压不同,锂电池直接供电无法满足各模块的需求,因此需要使用电源管理芯片将电压进行调节,满足各个模块的需要。同时,电源管理芯片还需要根据设备的工作状态调节各个模块的电压值,从而降低功耗,提高系统的效率。

 

一、全球及中国电源管理芯片市场

(一)电源管理芯片的应用场景

电源管理芯片在电子设备性能发挥中发挥了重要的作用。为了提高电路的密度,芯片尺寸始终朝着减小的趋势发展,电场强度随距离的减小而线性增加,如果电源电压还是原来的5V,产生的电场强度将足以把芯片击穿。因此,电子系统对电源电压的要求就发生了变化,需要不同的降压型电源。具体表现:

 

一是,为保证降压的同时保持高效率,一般会采用降压型开关电源。其次,部分电子系统还需要高于供电电压的电源,比如在电池供电设备中、驱动液晶显示的背光电源、LED照明驱动等,都需要对系统电源进行升压,一般会采用升压型开关电源。

 

二是,现代电子系统正向高速、高增益、高可靠性方向发展,电源上的微小干扰都对电子设备的性能有影响,因此,需要在噪声、纹波等方面有优势的电源对系统电源进行稳压、滤波等处理,一般会采用线性电源。上述不同的电源管理方式,可以通过相应的电源芯片,结合极少的外围元件,就能够实现。

 

图1:智能手机电源控制芯片工作原理图

资料来源:公开资料

 

以手机为例,如图1所示,智能手机由许多功能不同的模块组成,每个模块需要的工作电压不同,锂电池直接供电无法满足各模块的需求,因此需要使用电源管理芯片将电压进行调节,满足各个模块的需要。同时,电源管理芯片还需要根据设备的工作状态调节各个模块的电压值,从而降低功耗,提高系统的效率。

 

因此,发展电源管理芯片是提高整机性能的必不可少的手段,电源管理芯片在电子信息产品中发挥了关键作用、具有广泛的产品应用。电源管理芯片广泛应用于手机与通讯、消费类电子、工业控制、医疗仪器、汽车电子等应用领域,同时随着物联网、新能源、人工智能、机器人等新兴应用领域的发展,电源管理芯片下游市场有望持续发展。

 

(二)电源管理芯片的市场规模

如图2所示,2020年全球电源管理芯片市场继续保持高速增长,其规模约330亿美元,2016-2020年的年复合增长率(CAGR)为13.33%。预计到2025年,全球电源管理芯片市场规模将达到525亿美元,2020-2025年的CAGR为9.73%,其中以中国大陆为主的亚太地区是未来最大成长动力。

 

 

2016-2020

2020-2025E

年复合增长率

13..33%

9.73%

图2:全球电源管理芯片市场规模(亿美元,2016-2025E)

资料来源:和诚咨询

 

随着5G通信、新能源汽车、物联网等下游市场的发展,电子设备数量及种类持续增长,对于这些设备的电能应用效能的管理将愈加重要,从而带动电源管理芯片需求的增长。另外,电源管理芯片的应用范围将更加广泛,功能更加精细复杂,全球电源管理芯片市场将拥有广阔的市场空间。

 

据预计,2015-2019年,中国电源管理芯片行业市场规模从80亿元增长至110亿元,其年复合增速达8.29%,行业整体保持着稳定增长的状态。截至2018年,中国电源管理芯片行业市场规模达100亿元。预计到2020年,我国电源管理芯片市场规模将接近120亿元,2015-2019年年均复合增长率将超过8%。中国电源管理芯片市场依靠其庞大的市场容量和广阔的发展前景,将继续保持着增长的势头。

 

 

2015-2019

2019-2024E

年复合增长率

8.29%

12.70%

图3:中国电源管理芯片市场规模(亿美元,2015-2024E)

资料来源:和诚咨询

 

(三)电源管理芯片的产业链分析

电源管理芯片作为模拟芯片的一种,对半导体工艺制程的要求没有逻辑芯片高,市场参与者主要包含台积电、联电、Global Foundry、中芯国际等综合性大厂和韩国东部高科、海力士、TowerJazz,以及我国华虹宏力、粤芯等模拟芯片专业代工厂。其中韩国东部高科为目前模拟芯片代工厂中的翘楚,在模拟芯片代工方面的经验非常丰富。电源管理芯片的上下游产业链分析:

 

(1)上游——芯片设计企业。

国外巨头有德州仪器、英飞凌、亚德诺、安森美、意法半导体等,毛利率在37%-66%之间;国内行业龙头包括圣邦股份、芯朋微、上海贝岭、晶丰明源、富满电子等;其中,毛利率约22.45%-39.75%。

 

(2)中游——晶圆制造、封装测试厂商。

代表企业有国际的Unisem宇芯,国内有华虹半导体、中芯国际、长电科技、华天科技、通富微电等;其中,毛利率在11.18%-30.28%之间。

 

(3)下游——各类电子产品的终端客户和分销代理。

手机行业有苹果、三星、华为、OPPO、VIVO、小米、传音等;汽车行业有大众、宝马等;工业有国家电网、正泰电器等;家电行业有美的集团、格力电器、海尔智家、海信家电、创维数字、苏泊尔等企业;其中,毛利率在21.43%-29.83%区间。

 

从不同终端应用的细分市场来看电源管理芯片的产业链,国内电源管理芯片的设计环节仍以国际厂商为主导,其中在手机和汽车市场,希荻微率先突破与一线手机和汽车厂合作。

 

(四)电源管理芯片的未来发展趋势

1、高效低耗化

在电源领域,电能转换效率和待机功耗永远是核心指标之一。世界各国都推出了各类能效标准,如能源之星、德国的“蓝天使标准”、中国中标认证中心CECP)等。电源管理芯片及其电源系统的高效率和低功耗要求可以通过研发更加先进的电路拓扑技术、更低导阻的功率器件技术、更高开关频率技术、更精巧的高压启动技术等实现。

 

2、高集成度

功能的增加就意味着器件数量的增加,或单器件的面积增加,要保持现有设备的体积不变甚至更小,需要器件的集成度越来越高。在消费电子领域,电源的轻薄短小一直都是优化用户体验的重点需求。便携式移动设备的电源管理系统要求芯片级产品具有更小的体积、更高的集成度、更少的外围器件。高集成度单芯片电源管理既能降低整个方案元器件数量,改善加工效率,缩小尺寸,降低失效率,提高系统的长期可靠性;又能降低终端厂商的开发难度、研发周期和成本,提高利润率。

 

3、内核数字化

电源管理芯片的输入和输出均为模拟信号,其控制内核也以模拟电路居多,引入数字控制器内核能够实现在同类常规电源芯片中难以实现的功能。近年来凭借调试灵活、响应快速、高集成度以及高度可控的优势,以数字控制内核为特点的新一代数模混合电源管理芯片以高端服务器和通信设备应用为主导,逐步拓展至其他更多应用领域,已显示出良好的发展势头。

 

4、智能化

电源管理芯片的智能化是未来发展大趋势。当系统功能越来越复杂,客户对电源运行状态的感知与能耗控制的要求越来越高,电源管理芯片设计不再满足于实时监控电流、电压、温度,还提出了诊断电源供应情况、灵活设定每个输出电压参数的要求,实现了智能化。

 

二、全球及中国电源管理芯片

细分下游市场

电源管理芯片的下游应用市场有通信、消费电子、运算存储设备、汽车和物联网,其中占据过半市场需求的是通信基消费类电子市场。

 

(一)消费电子市场

消费电子设备的核心市场包括笔记本电脑和平板电脑,从数据来看每年设备出货量都较为平稳,因此预计其内置的电源管理芯片和充电器配置的电源管理芯片需求量任将保持平稳增长。

 

图4:全球笔记本电脑出货量(亿台,2016-2025E)

资料来源:和诚咨询

 

图4显示了全球笔记本电脑出货量。从中看出,2020年由于受疫情影响,远程工作和学习的需求大增,全球笔记本电脑市场的规模将在2020年大幅上升,出货量达到历年最高值,高达2.24亿台,较19年同比增长26.02%。伴随着新冠肺炎疫情影响的持续性,在家工作和学习的需求合理估计将持续到2021年和2022年的大部分时间,因此预计2021年和2022年全球笔记本电脑出货量将继续小幅增长,需求增速将在2023年逐渐放缓。

 

 

图5:全球平板电脑出货量(亿台,2012-2025E)

资料来源:和诚咨询

 

全球平板电脑市场规模从2012年的1.42亿台上升至2014年的2.31亿台,但随着市场需求不断减少,如图5所示,平板电脑市场规模逐渐下降,于2016年达到1.85亿台,并于2020年下降至1.33亿台。随着未来市场的逐渐饱和,智能手机功能更加强大,全面屏、折叠屏等技术使智能手机替代平板电脑的趋势不断上升,平板电脑市场预计还将平稳下降,预计到2025年出货量约1.27亿台。

 

消费电子设备市场除了笔记本电脑和平板电脑,蓝牙音频设备也是消费电子市场中电源管理芯片主要需求市场之一,如图6所示,全球蓝牙音频传输设备的出货量整体呈 逐年上升趋势。2016年到2020年,蓝牙音频传输设备出货量从6.94亿台增至10.64亿台,年复合增长率为11.3%;据预测,蓝牙音频传输设备出货量将在2025年达到14.45亿台,年复合增长率为6.3%。

 

 图6:全球蓝牙音频传输设备出货量(亿台,2016-2025)

资料来源:和诚咨询

 

如图7所示,作为蓝牙耳机技术之一,TWS耳机19年全球出货量约1.02 亿台,2020年增长至1.56亿台,实现翻倍增长,年复合增长率为51.9%。

 

图7:全球TWS耳机出货量(亿台,2018-2020)

资料来源:和诚咨询

 

如图8所示,中国TWS耳机出货量在过去几年也实现了倍速增长,年复合增长率为50.1%。目前,无线耳机音质和功能性方面仍在持续改善,TWS耳机的渗透率有望进一步提升。

 

图8:中国TWS耳机出货量(万台)

资料来源:和诚咨询

 

(二)手机市场

手机是电源管理芯片的重要应用领域,随着手机出货量的增长以及单部手机电源管理芯片需求量增长,手机内部电源管理芯片数量增长。

 

 

图9:全球手机出货量(包含智能机和功能机)(亿台,2016-2025E)

资料来源:和诚咨询

 

图9显示了包括功能机核智能机在内的全球手机出货量。从中看出,2016年后,智能手机销量出现了下滑的趋势,主要是由于智能机质量与性能的不断提高,消费者换机周期延长,以及手机功能趋于一致。此外,由于市场处于较为饱和的状态,一直至2019年,市场一直较为低迷,2019年全球智能机出货量仅为13.8亿台。但是随着5G网络的建设和扩建,5G手机的普及将刺激市场的升级需求,重新燃起消费者的换机热情。未来随着5G渗透率进一步的提高,智能手机对电源管理芯片的需求还将持续旺盛。

 

2016-2019年数据显示,手机的销量下降速度有所放缓,因而预计2021年手机市场将迎来反弹,2021-2025年手机出货量将逐渐提高接近或超过2019年的销量水平,手机市场将平稳增长,且智能手机的销量占比将不断提升。到2025年全球手机市场出货量预计将达20.9亿台,手机出货量的平稳增长将直接带动其内部电源管理芯片需求量的增长。

 

(三)通信基站市场

通信基站方面,5G基站电源主要由基础元器件、电池等部件构成。元器件主要包括电源管理集成电路、COOLMOS、快恢复二极管肖特基二极管、驱动IC、控制IC等。电源管理芯片主要应用于PSU、BBU、RRU及射频单元和天线四大类。

 

由于5G基站功耗更高,需要更多的天线、更多的射频组件、更高频率的无线电等,为电源管理芯片提出了更高的要求;5G条件下,小基站(覆盖范围1km以内)需要约20颗电源管理芯片,中型基站(覆盖范围3km以内)需要约60颗电源管理芯片,宏基站需要约120颗电源管理芯片,5G条件下电源管理芯片的使用量和价值量均有所上升。

 

另外,2020年5G建设速度加快,未来5G通信基站的建设数量将远远超过4G时代的基站建设数量,对于电源管理芯片的需求也将持续增长。根据工业和信息化部数据,截至2020年10月,我国全年新增约58万个5G基站(已提前完成年初50万个的目标),预计年底新增达到70万个基站。2020至2022年,预计新建5G基站数量和投资规模将逐继续提升,从2023年到2025年,5G基站搭建基本稳定,新建基站增速逐渐放缓,2025年新建基站60万座,逐渐建成基本覆盖全国的5G网络。

 

 图10:三大运营商5G基站建设预测

资料来源:和诚咨询

(四)汽车市场

近年来全球和中国新能源汽车销量增长迅速,汽车电源管理芯片市场也将受益。电源管理芯片是功率半导体的重要构成部分,而相对于传统内燃机汽车,电动汽车和混合动力汽车所蕴含的功率半导体价值量更高。

 

如图11所示,自2018年开始,全球汽车电源管理芯片市场规模就实现了1亿美元每年的速度增长,预计汽车领域全球电源管理芯片市场规模有望从2018年的15.3亿美元增长到2025年的21.4亿美元。

 

图11:全球汽车电源管理芯片市场规模(十亿美元,2018-2025E)

资料来源:和诚咨询