模拟芯片行业深度报告模拟进入黄金期看好研发实力第一梯队

模拟芯片行业深度报告：模拟进入黄金期，看好研发实力第一梯队1模拟行业：超400亿美元大赛道，预计2021年增速10%1.1信号链、电源链合计市场规模超400亿美元模拟芯片有两大主要用途：1）信号链-连接真实世界与数字世界的桥梁。现实世界的信号链续的线性信号方式出现，比如辐射（光和颜色）、运动（位臵、速度和加速度）、声音、压力等，而在数字世界中信号是瞬时变化的，比如数字芯片仅能识别0伏状态或五伏状态，而不识别介于两者之间的信号，因此需要由传感器收集信号，然后模拟芯片将这类可量化的信号转换为数字信号（0和1），再交由数字芯片处理。主要包括三大类，即线性产品（放大器等）、转换器（ADC等）、接口。2）电源链-管理和分配电源。电源链产品可以提供电路保护，并为内部的各种组件提供稳定、适当的电压和电流，其包括四大类，一是以市电AC为电源的AC/DC芯片、二是以电池DC为电源的电池管理芯片、三是通用负载解决方案（DC/DC转换）、四是特殊负载解决方案（LED驱动为代表）。2020年“电源链+信号链”市场规模达428亿美元，2009-20年CAGR为5%。1）市场规模：根据WSTS数据，2020年广义模拟芯片市场规模达到557亿元美元（含信号链、电源链、射频），占到半导体行业的13%。其中电源链329亿元美元（根据FrostSullivan数据），信号链99亿元美元（根据ICinsights数据），其余100多亿为射频前端。2）周期性：周期性与集成电路整体走势一致，但波动水平小于行业平均水平，其中存储器周期性最强、逻辑芯片周期性最弱。3）行业增速：2009-2020年模拟行业整体CAGR为5%，预计2021信号链+电源链市场规模由2020年合计428亿美元增长至472亿美元，同比长10%。2020年下游应用通信（36%）>汽车（24%）>工业（21%）>消费（18%）。模拟下游应用市场占比基本稳定，2020年通信（36%）>汽车（24%）>工业（21%）>消费（18%），市场规模分别为通信201亿美元、汽车135亿美元、工业114亿美元、消费99亿美元。其中汽车近年略有提升，从2014年的20%提升到2020年的24%；消费略有下滑，从2014年的23%下降至18%。行业格局稳定，TI、ADI为双龙头。TI（强于电源链）和ADI（强于信号链）为模拟市场双龙头，2020年分别占模拟市场的19%、9%，2020年CR6=52%。模拟市场具备产品具备“常青树”特性，加之下游应用分散，因此客户粘性极强，行业格局稳定，行业内部的格局变化多来自于兼并收购。1.2信号链：三大类产品，合计100亿美元市场信号链产品主要分为3大类，根据ICinsight预测，按2020年市场规模排名为线性产品（38亿美元）、数据转换器(37亿美元)、接口产品（27亿美元），按2020年-2023年增速排名为数据转换器(9%)>线性产品

（5%）>接口产品（4%）。1.2.1线性产品：包括各类放大器，合计近40亿市场38亿美金市场，TI、ADI合计市占率接近50%。线性产品2020年市场规模为38亿美金，预计2023年增长至43亿美金，2020-2023年CAGR为5%。其中TI和ADI为两大巨头，2015年市占率分别为29%、18%，CR5接近70%。放大器是线性产品的主要品类，用于提高功率。放大器是一种用来提高功率的芯片，它使用来自电源的电力，来增加输入端信号的幅度，从而在输出端产生按比例增大幅度的信号。我们将放大器按照复杂程度分为三大类：第一类是晶体管，其属于分立器件，不在我们这里讨论的“信号链-放大器”之列；第二类是由晶体管组成的基础的运算放大器，包括标准运放和全差分运放；第三类是以标准运放或者全差分运放为基础，额外集成一些外围电阻所组成的电路，称为功能放大器，其目的是降低客户匹配电阻和运放的难度。运算放大器：由晶体管组成的基础电路。运算放大器（OperationAmplifier,OPAMP）是放大电路最基础也是最核心的单元。因其早期用于实现数学运算而得名，可对输入信号进行加减乘除、微分、积分等；

而现在运算放大器的数学运算功能已不再突出，主要应用于信号放大及有源滤波器设计。基础的运算放大器包括两种：1）标准运算放大器，其有两个输入端（IN+,IN-）、一个输出端（OUT）和两个电源端（V+,V-），即2入1出，其输出电压Vout=（Vin+-Vin-）×Ado，Ado代表运算放大器的增益，通过运放后，输入端的微小电压差可被数倍的放大为输出电压；2）全差分运算放大器（FullyDifferentialAmplifiers，FDA），其与标准运放的差别仅在的输出脚也是差分的，即它有差分输入脚IN+和IN-，差分输出脚OUT+和OUT-，即2入2出。在标准运放和全差分运放的基础上，通过匹配外围电阻，工程师们即可以生成各类放大电路，因此可以说运放是构筑一切放大电路的基石。功能放大器：以运放为核心单元，额外添加电阻等元件所组成的常用放大电路。如果某个以运放为核心的放大电路非常常用，生产厂家就会考虑把这个放大电路（运放+外围电阻）进一步集成，功能放大器由此诞生。常见的功能放大器包括：（1）仪表放大器（InstrumentAmplifier），其内部通常具有2个或者更多的运放，最典型的是3运放结构。相对于普通的放大器，它的输入阻抗高，抗共模干扰强，在强噪声环境下，能保证放大电路的增益与精度，常用于对很微弱的差分电压信号进行放大，比如医疗设备中的心电图仪、血压计、除颤器，高档音响设备等。（2）压控增益放大器（VariableGainAmplifier,VGA）。压控增益放大器的增益是由外部施加的电压VG连续控制，其主要应用是自动增益控制，即当输入幅度大范围改变时，输出幅度几乎不变。例如录音笔中一般都具备这种功能，距离说话者远近不同，录下的声音大小几乎是一致的。（3）隔离放大器。实现放大器输入信号与输出信号之间的电气隔离。实现方法有三类：变压器型、光电耦合器型、电容型。ADI的产品主要是变压器型，AD202产品（放大器位于左上角），左边是信号输入区域，右边是输出区域，两个区域是完全隔离的，仅能通过上部的信号变压器、下部的电源变压器实现信号和能量的传递。其主要目的有两类：一是将高电压部分和弱电部分隔离，包括生物医学测量中确保人体不受超过10uA以上漏电流和高电压的危害，工业中防止因故障而使电网电压对低压信号电路（包括计算机）造成损坏；二是在长距离传输数据时，接地电1和接地点2之间可能形成接地环路，从邻近干扰源的磁场拾取噪声电压，因此可以使用隔离放大器断开接地环路，减少数据的传输错误。1.2.2数据转换器：ADC是模拟芯片“皇冠上的明珠”近40亿美金市场，行业集中度高，ADI市占率超过30%，CR5超过80%。根据ICinsights数据，数据转换器2020年市场规模为37亿美金，预计2023年增长至48亿美金，2020-2023年CAGR为9%。数据转换器为模拟芯片中难度最大的，是巨头ADI的强项所在，2015年市占率为34%，其他玩家包括TI21%、CirrusLogic16%，行业集中度高于模拟芯片的其他细分行业，CR5超过80%。数据转换器是模拟世界与数字世界之间的桥梁，其中ADC占比超70%。数据转换器用于模拟信号与数字信号之间的转换传输，按照转换方向，数据转换器分为ADC和DAC。ADC（Analog-to-DigitalConverter，模数转换器）将模拟信号转换成数字信号，如将声音、温度等模拟信号转换成可存储、传输的数字信号；而DAC（Digital-to-AnalogConverter，数模转换器）是将数字信号调制成模拟信号，如MP3播放音乐就是将音乐数字信号调制成我们可以听到的模拟信号。市场上的数据转换器分为三类，ADC、DAC和混合信号转换器（ADC+DAC），其中ADC占比最高，占比超70%。采样速度和转换精度是衡量ADC的重要指标。ADC芯片的运作可以大体分为两步，第一步是对模拟信号进行采样，第二步是将采样信号量化编码。与之对应，衡量ADC芯片的两个重要维度是采样速度（Speed）和转换精度（Resolution）。1）采样速度：代表着ADC可转换带宽的大小，衡量指标主要是采样率

（SamplePerSecond,SPS），采样率指芯片每秒采集模拟信号的个数,采集率越高，采集的点数越多，转换时对模拟信号的还原度越好，1KSPS代表ADC的采样频率是1KHz/s，表示1s内可采集1000个点。在一个应用系统中，当ADC完成采样后，需要读出采样数据，在此期间ADC不做新的采样，待数据被系统读出后才能再次采样，故采样率与采样时间的关系为：采样率=1/（采样时间+数据输出时间）。2）转换精度：衡量转换出来的数字信号与原来的模拟信号之前的差距，ADC芯片的精度通常用分辨率8bit、16bit等位数表示，分辨率越高代表着ADC精度越高、对模拟信号的还原越好，8-bit代表着模拟信号与数字信号之间的最大差距是1/(2^8)。采样速度和转换精度难兼具，ADC采用不同架构以满足不同应用场景。商用规格ADC主要有5种常见架构：闪存式、流水线型、逐次逼近型、Σ-Δ型和双斜率型，但无论是哪一种架构，在采样速度和转换精度上都是难以兼具，如闪存式ADC最大采样率可达10GHz，但分辨率最高仅达12位。《瓦瑟纳尔协定》实行对高端ADC的出口限制，国产化势在必行。1996年9月，美国等33个国家共同签署了《关于常规武器与两用产品和技术出口控制的瓦瑟纳尔协定》，简称“瓦瑟纳尔协定”，用于管制传统武器及军商两用货品的出口，目前签署国已达40个。该协定未正式列举被管制国家，只在口头上将伊朗、伊拉克、朝鲜和利比亚四国列入管制对象，而我国虽不是缔约国，但在购买技术、商品时仍受西方国家管制，其中高端ADC、DAC也在管制清单上。美国商务部网站在2021/3/29更新的出口管制商品清单中，技术难度最高的高速高精度ADC赫然在列。高速高精度ADC技术难度最高，是模拟行业“皇冠上的明珠”，海外厂商遥遥领先。按照采样速度和转换精度这两个维度，ADC可以分成高速高精度、低俗高精度、高速低精度、低速低精度这四种类型。采样速度与转换精度互相矛盾、此消彼长，因为当转换精度高时，需要较长的采样时间来稳定内部电路的输出，这使得采样速度低，故高速高精度ADC的技术难度最高。从官网列示的料号看，海外厂商TI、ADI在四种类型上全覆盖，在料号数量上遥遥领先，而高速高精度是国内厂商短板，仅贝岭有9款高速高精度ADC。1.2.3接口：约30亿美元市场，TI份额近半近30亿美元市场，TI寡头垄断。根据ICinsights数据，接口产品2020年市场规模为24亿美元，预计2023年增长至27亿美金，2020-2023年CAGR为4%。其中TI优势明显，2012年起市占率超过40%，CR5接近80%。接口芯片是具有内部接口电路的芯片，接口电路是CPU与外部设备进行信息交互的桥梁。微型计算机系统通过系统总线与外设相连，从而完成系统的拓展和开发，应用于科学计算、信息处理、过程控制、仪表控制、网络通信等领域，这个过程中，CPU与外设之间必须通过接口才能交换信息、传输数据。根据应用场景和需求的差异，接口IC主要有信号调节器（Signalconditioner）、收发器（Transceiver）以及隔离器（Isolator）。1）信号调节器：针对传感器输出的原始信号或系统输出信号中的一个环节进行返工，以满足下一个环节的输入要求。换言之，当我们从传感器获得信号时，通常情况下，它不是我们想要的，需要借助信号调节器，通过滤波、放大、线性、信号变换、调制解调将其转换为合适的信号，用于接口的后续测量和控制单元。如衰减器、前臵放大器、电荷放大器、对传感器或放大器进行非线性补偿的电平转换器件、适用于不同协议，如HDMI、DisplayPort™、MIPI、以太网、PCIe、UPI、CXL™、SAS、SATA的重定时器、中继器、转接驱动器和多路复用器等，都属于信号调节器的应用。按功能来看，信号调节器主要有五类，参数转换类型（常用于参数型传感器，将电参数转换成电压和电流）、阻抗变换、振幅调整类型、调制解调类型、品质调节类型、以及A/D、D/A转换类型。2）收发器：是一种在共享电路上结合传输和接收能力的设备，是无线通信的基石。它可以处理模拟或数字信号，在某些情况下，两者都可以，因此，在数字信号覆盖不稳定的地区，可以为模拟设备配备收发器，以确保信号不会丢失。根据工作原理，收发器可分为两大类：全双工和半双工。在全双工收发器中，设备可以同时发送和接收，全双工收发器最好的应用是手机，双方可以同时通话；半双工收发器使一方静音，同时使另一方发送，多应用于无线电系统。根据可携带性，收发器可分为便携式（如附在滑雪者鞋上的雪崩便携式收发器）和固定式（船舶卫星上使用的大型通信系统）。可携带式收发器的好处是能够根据需要处理信号和移动，但缺点是信号可能很弱，接收范围有限。根据通信方式，收发器也可分为CAN收发器、以太网光纤收发器、LIN收发器、IO-Link接口收发器、UART收发器、RS-232、RS-485、RS-422收发器。其中，CAN、LIN收发器多应用于汽车电控领域，通常工作于物理层（PHY）；以太网光纤收发器又分为单模光纤收发器（单节点传输，多用于长距离干线传输，建设跨城域局部网）和多模光纤收发器（多节点运输，多用于短距离信号传输，建设局部内网），根据工作速率，100M以太网光纤收发器通常工作在物理层、10/100M自适应以太网光纤收发器通常工作在数据链路层；IO-Link接口收发器可为三线执行器和传感器连接中点对点的工业通信提供系统级保护；UART收发器多用于短距离、低速度、低成本的微机与下位机的通讯中，而RS-232、RS-485、RS-422收发器区别在于串行数据接口标准不同，RS-232为单端通讯，多应用于PC机通信，RS-485、RS-422则为平衡传输，三者都可应用于计算机测控系统中。3）隔离器：由于信号在传输过程中会遇到各种干扰，可使用隔离器来进行隔绝干扰。其在油田、石化、制造、电力、冶金等行业的重大工程中有着广泛应用。隔离器可分为三类：光耦隔离、磁耦隔离、容耦隔离。其中，光耦隔离最为常见，采用发光二极管和光敏三极管实现“电-光电”转换，主要用于固体继电器、电话保安电路、固体开关电路、触发电路以及变压器等；容耦器件采用片上电容“通交流、阻直流”原理实现信号的隔离传输；磁耦器件采用芯片级变压器实现信号“电-磁-电”

隔离传输，适用于各种工业应用，包括数据通信、数据转换器接口、各种总线隔离以及其它多通道隔离应用。1.3电源链：超300亿美元大市场，TI实力超群超300亿大市场，玩家众多，TI实力超群。根据Frost&Sullivan数据，电源链2020年市场规模为329亿美元，预计2023年增长至447亿美金，2020-2023年CAGR为11%。电源链相对信号链来说，玩家众多、市场竞争更为激烈，其中TI上升势头强劲，2015年即已占据25%的市场份额，CR52015年为47%，低于信号链的70%-80%的集中度水平。电源链用于在负载间分配电力并提供合适的电压电流。电源链产品按照功能包含四类产品：1）AC/DC：位于电源侧，将市电AC转换为直流电；2）电池管理：位于电池测，对电池进行电量的计量、充电保护等；3）DC/DC、LDO：位于负载测，由于一个设备内部的不同子系统所需的工作电压可能不同，因此需要DC/DC转换器对直流电电压进行升压、降压；4）LED驱动器等：位于负载侧，为特殊负载提供合适的电源，包括LED显示驱动、LED照明驱动、以太网电源管理、射频电源等。1.3.1AC/DC芯片：实现市电AC转DCAC/DC用于对高压交流市进行“交流转直流+降压”。全球范围内民用电通常为100V-230V交流电，而家用电气通常为3.3V、5V直流电；工业用电通常更高，大陆为330VAC、美国为227V/480VAC，而大多数工业控制系统都在24VDC电源上运行。因此需要使用AC/DC转换器实现降压+交流直流转换。主流AC/DC芯片“隔离式开关电源”方案，包含两大步骤。AC/DC转换器按照转换方式可分为线性电源、开关电源，开关电源因体积较小而更为主流。按照是否使用变压器来实现输入和输出电路的电气隔离分为隔离式、非隔离式，隔离式用以防止触电，在高压场景中常用。对于高压AC转DC场景，通常使用的是隔离式开关电源，其按照电路形态/拓扑又可分为正激、反激、全桥、半桥、推挽。其转换过程包含两步：（1）AC/DC转换（输出不稳定DC）。将输入AC用电容器整流-平滑后转换成DC，但该DC并不稳定，仍需要进行稳压；（2）DC/DC转换（输出稳定DC）。通过开关元件将上一步不稳定的DC转换成高频率的AC（市电通常为50/60Hz，转换后AC为数十kHz），并经由高频变压器，将电能传送至二次侧（注：频率提高后所需的变压器匝数减少，因此变压器体积减小）,通过重复整流-平滑步骤转换成想要的DC电压。(注：此处为隔离式DC/DC转换器，区别于下文用于通用负载DC/DC转换的非隔离式)。AC/DC的核心器件是“开关+驱动开关工作的控制芯片”。在AC/DC芯片中，除整流器、变压器外,最核心的器件是开关（IGBT或者MOSFET）和控制芯片，控制芯片起到驱动开关工作的作用，主要包括谐振转换器

（ResonantConverter，RC）、准谐振转换器（Qunsi-TesonantConverter，QRC）、脉冲宽度调制转换器等（PWMConverter）。此外其他芯片还包括：（1）在大功率电路中，由于电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，因此通常需要配备一颗功率因数校正（PowerFactorCorrection，PFC）芯片来提高利用率。（2）对于不同的拓扑电路，可能还需要加入同步整流控制器、原边及副边控制器等。将控制芯片与其他部件继承的模块化趋势明显。一个AC/DC解决方案中通常需要用到一个或多个控制芯片、开关、整流器、变压器，为减少客户的匹配难度、减少占用面积，模拟厂商们逐步推动模块化产品，通常的模块化产品包括将PFC芯片与PWM/谐振/准谐振控制芯片的集成产品，或开关与PWM/谐振/准谐振控制芯片的集成产品。1.3.2电池管理IC：确保电池安全稳定输出电能电池管理IC确保电池安全稳定输出电能，主要包括计量IC、充电管理IC、监测和平衡IC，输入保护IC，快充协议芯片等。1）电池计量IC：可以测量电池生命周期内各种化合物（如锂离子、磷酸铁锂和镍氢）的荷电状态和健康状态。2）电池充电管理IC：可以将外部电源转换为适合电池充电的电压，起到充放电管理的功能。3）电池监测和平衡IC：可以监测电池电压、温度和电流数值。4）电池输入保护IC：分为电池超压保护(BOVP）和输入超压保护(OVP),可以对检测单节和多节电池是否出现过压、欠压、放电过流和短路状况，保护输入端口及电池终端不受电压浪涌冲击，延长电池的使用寿命。5）协议芯片：手机系统和充电头要实时进行通信，使用协议芯片可以进行电压/电流的精准调整和实时监控，帮助实现电荷泵的快充过程。充电管理芯片：主要分为线性充电芯片，开关式充电芯片，电荷泵芯片三类。1）线性充电芯片：适用于小电流充电，当存在稳压良好的输入电源时，通常采用线性充电解决方案，线性解决方案的优点包括易用、尺寸小以及成本低。但是由于线性充电解决方案效率低，因此影响设计的最重要因素就是散热设计，必须在充电电流、系统尺寸、成本和散热要求之间进行权衡。目前在消费电子产品中，使用线性充电器的已较少。2）开关式充电芯片：适用于大电流充电，当输入电压波动范围宽或输入输出电压差大的应用通常采用开关式充电解决方案。开关式解决方案的优点是提高效率，缺点则是系统复杂、尺寸相对较大且成本较高。3）电荷泵芯片：利用电容作为储能元件进行电压变换，可以使电压减半同时使电流增倍。电荷泵解决方案的优点是效率要高于开关式和线性充电，缺点是需要与开关式充电联合使用。目前线性充电在智能手机上已经完全退出，只有超低端的功能机还有在用，开关充电是目前手机的主流，而电荷泵充电是当前中高端手机快充的主要解决方案。协议芯片：快充中需要协议芯片来实现充电器与充电设备的沟通。为保证不进行过压过流充电损坏设备，在手机和充电头中存在配套的协议芯片，只有当设备和充电器成功进行协议握手后方能开启快充。目前协议方案主要分为：（1）各大手机厂商的私有协议：小米基于CC的私有协议，华为/荣耀的SCP，OPPO的VOOC，VIVO的Flashcharger，传音的I2C私有协议等；（2）手机平台的协议方案：高通的QC系列，MTK的PE；（3）专门的协议联盟：美国USB-IF的PD，国内绿色联盟的UFCS。长期看，手机可以兼容的协议逐渐增多，未来一对多充将成为可能。电池管理芯片作用于锂离子电池，通常节数越多难度越大。消费电子、通讯、工业以及汽车是电池管理芯片主要的终端应用领域。锂电池分为单芯锂电池和多芯锂电池，手机电池一般是单电芯或者双电芯；笔电最常见的一般是3组2个并联的电池相串联组成，即6芯锂电池。电动自行车一般为10芯串联或12芯串联构成。电动工具一般采用4-6节18650电芯锂电池进行串并联构成锂电池包。电动汽车的电池芯数几百到数千不等，如特斯拉

ModelS高性能版车型的动力电池由7000多颗186500电芯锂电池串联并联而成。电池芯数越多意味着电池的续航能力更强，同时设计难度也更大。1.3.3DC/DC转换器：为子系统提供多样化电源DC/DC用以实现“为子系统提供多样化电源+稳压”功能。一是由于各个子系统具有各自固有的工作电压范围，电压精度