电流传感器芯片行业市场突围战略研究

电流传感器芯片行业市场突围战略研究

集成电路行业发展情况和未来发展趋势在汽车电子领域，传统意义上的机械式汽车被现代电子化汽车所取代，现代电子技术在汽车上的大量应用，各种电子电器产品占汽车总成本的比重越来越高。电子技术的应用在虽然提高了汽车的经济性、安全性和舒适性，但同时也在汽车电磁兼容方面带来不容忽视的问题。电磁兼容技术即是由电磁干扰引出的一项新技术，旨在特定工作环境中，电子装置或电子系统不产生干扰或不受环境干扰。因此，电磁兼容设计是围绕干扰源、敏感源和耦合路径等设计要素，通过模拟设计电路以及工程师丰富的设计经验，选择最优电路泄放路径，隔离及屏蔽干扰源，设计去耦电路，消除电磁干扰的技术方法，提高产品电磁兼容性。随着汽车智能化时代的到来，大量新的技术需要被引进或运用到全新的场景中，因此需要使用大量的传感器，从而使电磁兼容问题变得更加复杂。另外，无论是智能汽车、智能家居、智慧城市、智能制造还是智能终端，都将使用高密度、多互联的电子设备，各类电子设备的应用场景之间相互影响，产生一系列电磁兼容问题，给芯片设计带来全方位、多方面的挑战。电磁兼容技术要从原理设计、布局、PCB设计和制造、整机组装、测试验证、检测认证、到量产，做全流程的优化，对应问题场景进行评估衡量，设计和改善电磁兼容性能，才能确保电磁兼容性不成为影响汽车三化进程中的问题。目前，在传统传感器等电子元器件构成方面，芯片需要搭配PCB来实现功能，一方面用以固定传感器，另一方面需要外围元器件提供电磁兼容性的保护功能。相较于传统PCBA封装，无PCB（PCB-Less）封装解决方案使PCB-Less芯片集成了传感器芯片与汽车ECU相连接所需的常用外接无源组件。在电机设计空间越来越小的趋势下，OEM厂商可以集成传感器和模块，电源端电阻的集成意味着OEM无需连接常用的外部串联电阻，集成的去耦电容可提供传感器更好的EMC和ESD性能。此外，芯片可以集成内部稳压电路和灌电流的输出，实现反向电压保护、热保护功能。未来，高集成化的芯片不仅可以减少所占空间，从而减小终端设备总体积，还可以通过更加复杂的电路微结构实现芯片更好性能。在汽车电子领域，汽车智能化程度越高，电子、电气系统越复杂，对功能安全的要求也到了前所未有的高度。为实现汽车上电子、电气系统的功能安全设计，国际标准化组织（ISO）制定了一项汽车功能安全管理体系ISO26262，它派生于电子、电气及可编程器件功能安全基本标准IEC61508，又以IATF16949为前提，对功能安全进行了规范化。ISO26262定义了汽车安全生命周期、汽车安全完整性等级关键概念，为汽车电子电气系统的整个生命周期中与功能安全相关的工作流程和管理流程提供了指导。在芯片设计时，一方面需要识别和预防系统失效，即车载芯片设计过程中的人为错误引起的失效，通常需要强大的开发流程来避免系统失效的可能性；另一方面需要识别和预防随机硬件失效，即在车载芯片的生命周期中，非预期地发生、并服从概率分布的失效。在汽车芯片的功能实现中，通过芯片硬件冗余设计以及特殊后端设计可以预防或降低失效风险发生的可能性。未来，汽车芯片需要满足更多的功能安全、可靠性和质量要求，在工艺的选择、开发流程的管理、设计流程上都有更高的要求。同时，在芯片设计时需要考虑更多的功能安全性技术应用。汽车行业智能化，电动化和网联化驱动汽车价值链的升级，智能驾驶和新能源成为汽车产业未来的发展方向；加之我国汽车市场产销量已连续多年位居世界第一，依托于未来增量和保有量的优势，未来智能驾驶在我国将会有广阔的发展空间。一方面，基于智能驾驶的高安全冗余度和低容错性特性，越是高阶的智能驾驶需要越多的传感器，以尽可能地保证行驶的安全性。另一方面，随着汽车中的机械控制逐步被电子控制所替代，智能驾驶如自动泊车、行车辅助等应用场景，需要更多传感器共同作用，方能控制方向盘、电子油门和刹车等驾驶动作，实现车辆控制。其中，汽车芯片在感知层、决策层、执行层将直接影响智能驾驶的性能和表现。随着智能驾驶和汽车三化的发展，汽车市场对于芯片的需求日益增大，这不仅为我国集成电路行业提供了广阔的市场空间，同时促进了汽车芯片的国产化进程，为国内汽车芯片厂商提供了发展机遇。近年来，随着工业互联网、智慧工厂等概念的不断兴起，全球各国企业对于智能工厂的关注度提高，工厂中自动化机械、生产线、输送机和工业机器人的渗透率明显提升。根据中国工控网《2022中国工业自动化市场白皮书》，2021年度中国工业自动化市场规模超过2，500亿元，同比增长22%，预测2022-2025年中国工业自动化市场将保持10%左右的年均复合增长率。2020年以来，随着中国制造2025战略的进一步实施，我国自动化行业进入新一轮的景气周期。工业智造的发展助推集成电路行业的进一步发展，也将加快高效率、高性能与高稳定性的芯片的国产换代进程。随着全球能源结构快速向低碳形式转型，可再生能源装机加快发展，尤其是风电、光伏等间歇性可再生能源在最近几年成为全球新增装机的主力。电力系统的波动性将随着可再生能源渗透率的提高而日渐提升，同时用电侧的电气化率提升也进一步增加了对电力系统调度的挑战。2021年3月15日召开的财经委员会第九次会议提出，要构建以新能源为主体的新型电力系统。新型电力系统在集成电路等新一代信息技术有效支持下，能够加强电网感知、决策、控制能力，提升清洁能源消纳能力，推进智能输电、配电、用电领域升级，为全方位应对新型电力系统建设带来的运行复杂性和安全风险挑战做好准备。集成电路行业国际知名芯片厂商大多采用IDM模式，但IDM模式对于中国芯片设计企业来说，所需投入较大，因此现有不少芯片设计企业开始搭建Fabless+封测模式，探索Fabless和IDM这两种模式并在优劣势之间取得均衡的能力。采用设计+封测经营模式，首先，有助于推动企业改进生产工艺，进一步提高企业产品的生产能力，保障企业产品生产质量。尤其在汽车电子行业，对汽车芯片的一致性和可靠性要求较高，因此需要做到芯片制造工艺与设计强绑定。其次，能够有力推动企业集成电路产品设计端到封测端的相互融合的实现，增强企业设计+封测的协同效应，促使企业供应链更加优化，进一步降低产品生产成本，实现产品价格领先战略。中国集成电路行业市场发展迅速我国大陆集成电路产业的虽起步较晚，但经过近20年的飞速发展，我国集成电路产业从无到有，从弱到强，已经在全球集成电路市场占据举足轻重的地位。根据中国半导体行业协会统计数据，2010-2019年中国集成电路产业销售额整体呈增长趋势，从2010年的1440．15亿元增加至2019年的7562．3亿元，这主要受物联网、智能汽车高新能源汽车、智能终端制造、新一代移动通信等下游市场需求驱动。2020年，中国集成电路产业继续保持2位数增长，全年销售额达到了8848亿元，较2019年增长17%。其中，设计业销售额达到3778．4亿元，同比增长23．3%，仍是三业增速最快的产业，占总体行业比重为42．7%;制造业销售额为2560．1亿元，同比增长19．1%，占比为28．9%;封装测试业销售额2509．5亿元，同比增长6．8%，占比为28．4%。工业领域芯片行业概况（一）工业自动化领域行业概况在工业自动化领域应用中，电机控制系统必不可少。电机控制系统可实现精确控制和同步操作，降低功耗，并在严苛环境中延长电机的使用寿命，主要应用于各类工业电机设备、轻型电动车以及其他工业自动化设备等。1、工业电机领域行业概况电机指依靠电磁感应作用而运行的电气设备，用来进行电能生产、传输、使用和电能特性变换的机电装置。电机的分类方式多样，以工作电源为标准，可分为直流电机、交流电机；以结构和工作原理为标准，可分为无刷电机与有刷电机；步进电机与伺服电机；异步电机与同步电机等。目前，电机被广泛应用于工业机床、生产线、出行工具、电动工具、各类电器等多个市场，同时越来越多的高端电机被装配到工业自动化控制设备中。电机控制系统是驱动电机运作的核心，由控制器、电机驱动器、电机和传感器芯片组成。控制器由主控芯片组成，是电机控制系统的大脑，用于控制电机的电路通电和断电，使之启动和停止；电机驱动器主要搭载驱动芯片和驱动器件，可以放大信号，产生扭矩，并使负载运动，通过控制速度、扭矩和方向，从而确定电机的马力；电机主要将电池的电能转换成机械能，驱动机械设备工作；传感器芯片主要是基于霍尔效应的磁传感器芯片，用于检测电机转子的速度、位置和方向。近年来，工业自动化趋势带动工业电机领域市场规模快速增加。工业电机控制系统应用升级是核心推动因素之一，其需求量随着电气化、自动化、智能化的演进而逐步增长。特别是以步进伺服电机为代表的工业自动化电机，是自动化生产线、智能化设备、工业机器人等不可或缺的一部分。2021年我国工业电机产量为330GW，存量为4，130GW，预计2025年存量将达到4，651GW；工业电机作为电能和机械能转换的关键设备，在未来几年，随着中国制造2025的提出，工业电机需求将在我国工业快速发展的带动下进一步扩大，进而促进工业传感器和工业传感器芯片市场的增长。根据MarketsAndMarkets，全球工业传感器市场规模预计将从2020年的182亿美元增长到2025年的290亿美元，年均复合增长率为9．77％，其中，磁传感器具有高可靠性，低系统成本以及解决方案简单等特点，成为工业传感器应用中最重要的类别之一。2、轻型电动车领域行业概况轻型电动车包括电动两轮车，电动平衡，滑板车，电动助力车等，其中主要为电动两轮车。以电动两轮车为例，通常一个电动两轮车的电机需要借助三个磁传感器实现换相控制以及电机自动化控制。另外，磁传感器在电动两轮车的调速转把和刹把中也得到应用：转把信号是电动车电机旋转的驱动信号，骑行者通过转动转把来调节电动两轮车的行驶速度；刹把信号是电机停止转动的制动信号，在有捏刹把动作时，开关磁传感器将刹车信号传给控制器，控制器接受到刹车信号后，立即停止对电机的供电。中国电动两轮车已经走向高质量发展的道路，并以其低碳环保、轻便经济、不易拥堵的特点发展成国内重要的短途交通工具，不断渗透到个人出行、外卖配送、共享出行等诸多领域。根据艾瑞咨询，2021年虽然部分地区受到《电动自行车安全技术规范》（以下简称新国标）过渡期推行节奏减缓等因素影响，电动两轮电动车销量增幅不及预期，但全年中国的两轮电动车销量仍然达到4，100万辆。在节能减排、碳达峰等政策要求，庞大的人口与多样化绿色出行需求，及时配送与共享电单车增长促进以及新国标的进一步落实等因素影响下，两轮电动车市场依旧拥有较大的增长潜力和存量置换需求，预计2022年两轮电动车的销量可达4，500万辆，因此给磁传感器芯片带来了新的机遇和发展空间。（二）新能源领域行业概况在碳达峰、碳中和的战略目标下，全球各国大力推动绿色能源发展，其中，光伏发电属于绿色环保的发电方式之一，国内外光伏行业前景广阔。根据中国光伏行业协会数据，预测2021-2025年期间，全球每年平均新增光伏装机量约210-260GW；预计至2030年全球年度新装机量将超过300GW。逆变器是光伏并网发电系统中的核心部件之一，随着光伏组件高度集成化，新器件的工艺提升，逆变器厂家研发技术的进步离不开集成电路技术的发展，特别是在功率器件和集成电路（IC）芯片上。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。电流传感器是光伏并网逆变器中的核心检测元件，在要求稳定性的同时，还需兼顾高精确的电量计量工作。根据测量原理不同，电流传感器可分为霍尔电流传感器、隧道磁阻效应（TMR）电流传感器、分流器、磁通门电流传感器、电子式电流互感器等。其中，霍尔电流传感器的结构小巧、检测精度高、相关的电气回路简单，对于推动检测系统的微型化、集成化有着积极的作用。霍尔电流传感器是磁传感器的分支，根据其结构可分为开环式和闭环式两种，可对各种类型的电流进行测量，从直流到几十千赫兹的交流。根据MarketsAndMarkets数据，2023年全球霍尔电流传感器市场规模将达到14．74亿美元，2017-2023年复合增长率达到8．4%。未来，受益于光伏装机量持续提升，电流传感器及其芯片的市场空间持续扩大。集成电路行业下游需求持续增长随着下游产品功能的日益复杂和应用领域的持续拓展，其性能要求持续提升，为集成电路行业带来新的市场需求。同时，5G技术发展将为电源管理芯片带来广阔的市场空间。此外，以智能手环、TWS耳机为代表的智能可穿戴设备等新兴消费电子产品呈现快速增长，为市场带来了新热点，催生新的市场需求。集成电路行业势在必行目前我国高端芯片几乎完全依赖进口，严重威胁我国国防信息安全和通信、能源、工业、汽车和消费电子等支柱行业的产业安全。而全球电子产品90%的制造能力在中国，5G、物联网和人工智能行业的最大市场也是在我国。在国家对集成电路设计行业大力扶持的政策下，高端芯片技术势在必行。集成电路行业面临的机遇和挑战（一）集成电路行业发展面临的机遇1、国家大力扶植集成电路产业发展发展自主可控的芯片产业链，是保证我国包括信息技术产业、汽车产业等在内的各重点产业持续健康发展的重要关键核心。为此国家出台了一系列政策支持集成电路产业的发展，并成立国家集成电路产业基金直接参与行业重点领域和优势企业的发展，集成电路产业的进口替代上升至国家战略高度，十四五期间的政府工作重点将聚焦于发展集成电路产业。2020年8月《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展若干政策》指出，从财税、投融资、研究开支、进出口、人才、知识产权、市场应用及国际合作等八个方面支持集成电路产业和软件产业发展。2021年5月《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出，要推动集成电路等九个先进制造业的创新发展。在汽车芯片领域，在国家政策大力支持和下游终端市场技术破局与产品重构的机遇下，国内汽车芯片厂商将获得更多的验证和导入机会，有望打破欧美寡头的垄断，推动汽车芯片领域的进程。2、集成电路下游产业快速发展智能电动汽车的快速普及和迭代、5G通信技术的商用落地以及人工智能等信息技术的快速发展，带动了汽车电子产业快速发展，在汽车智能感知、车联网、自动驾驶领域为集成电路产业引入了新的应用市场增量。根据IDC预测，2025年中国新能源汽车市场销量将达到542万辆，2020-2025年复合增速高达36．10%；根据赛迪预测，中国5G通信市场规模将在2025年达到3．80万亿，2020年-2025年复合增速达36．56%；根据艾瑞咨询预测，中国人工智能产业2026年有望实现核心市场规模和带动相关产业规模分别达到6，050亿元和21，077亿元，2021年-2026年复合增速分别达到24．80%和22．33%。随着现代信息技术、通信技术不断迭代和升级，智能电动汽车、人工智能、云计算、5G网络、物联网等新兴技术都会在汽车电子产业持续发展、加速落地，集成电路下游产业空间广阔，正逐步迈入发展的快车道。（二）集成电路行业发展面临的挑战1、集成电路高端技术人才尚缺集成电路是技术密集型行业，对高技能型人才需求较大。我国芯片行业起步较晚，高端技术人才短缺成为制约我国芯片行业发展的重要因素。近年来国内集成电路快速发展，对人才引进和培养的力度逐渐加大，但高端技术人才仍相对匮乏。《中国集成电路产业人才白皮书（2019-2020）》的数据显示，到2022年，我国芯片专业人才仍将有25万左右缺口。除人才总量不足外，能够负责产品规划和顶层架构制定的人才同样严重缺乏。2、国产汽车芯片获得市场认可的周期较长国外头部汽车芯片企业凭借先发优势垄断汽车芯片国际市场，并与汽车系统集成商形成深度绑定，而国产汽车芯片企业在品牌知名度和技术先进性方面与国外头部企业存在较大差距。此外，汽车电子领域的终端厂商出于对产品质量的稳定性和可靠性、交货周期的即时性和可控性等方面考虑，会优先选择有长期合作基础的供应商。因此，国产汽车芯片面临着市场认可周期较长的挑战。3、芯片设计行业竞争激烈一方面，为实现国内集成电路产业链的自主可控，我国加大了对国内集成电路产业的支持力度，国内集成电路产业步入发展的快车道。2021年我国芯片设计企业达到2，810家，同比增长26．69%，国内芯片设计企业数量迅速增加。另一方面，芯片设计行业的高毛利也吸引潜在进入者不断涌入市场。虽然部分国内厂商在高端产品方面取得了一定的突破，逐步打破了国外厂商垄断，但大部分企业仍以中低端芯片为主。随着市场参与者的不断增加，未来中低端领域发展空间有限，竞争将更加激烈。磁传感器芯片行业概况（一）磁传感器芯片概况磁传感器芯片是指将磁场、电流、应力应变、温度、光等因素作用下引起敏感元件磁性能的变化转换成电信号，以此来检测相应物理量的一种器件，应用于磁传感器以及各类电子控制系统模组中。磁传感器与其他传感器相比，其主要优势为：①磁传感器可以在不接触物体的情况下检测其他参数，减少工作设备之间的摩擦损耗，具有较长的使用寿命；②与光学传感器相比，磁传感器承受灰尘、污垢、油脂、振动和湿气等复杂工况环境的能力更强，具有高可靠性；③磁传感器凭借着较长的使用寿命和高可靠性，与其他工作原理的传感器相比具有较高的产品性价比优势。磁传感器芯片按照技术可划分为霍尔效应（HallEffect）、磁阻效应（xMR）（包括各向异性磁阻效应（AMR）、巨磁阻效应（GMR）和隧道磁阻效应（TMR））。其中，霍尔效应是指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，来探测目标的运动状态变化；磁阻效应是指通以电流的半导体材料的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。霍尔效应技术产品由于具备无触点、功耗小、结构牢固、寿命长等优点，已成为目前市场上最主要的产品，市场份额接近70%。磁阻技术产品具备高精度、高灵敏度、低功耗等特点，主要用于消费电子领域包括电脑硬盘磁盘的控制头、手机的地磁检测以及高精度小体积的电流检测应用。而在汽车电子领域，由于霍尔效应技术产品精度基本满足了汽车电子绝大部分的使用场景，其检测量程、可靠性和抗干扰能力等远强于其他技术路线，而在功耗方面作为车载使用不及消费电子敏感，在成本方面是各种磁传感方案中的最低选择，因此汽车磁传感器芯片产品在目前以及可预见的将来仍然以霍尔效应技术类型为主。根据不同类型功能的需求，磁传感器可分为速度传感器、位置传感器、电流传感器、电子罗盘等。速度传感器主要用于检测速度和方向，通过检测转动的部件产生的磁场强弱变化来测量速度和方向，主要用于汽车领域，包括凸轮轴、曲轴、变速箱和轮速（ABS防抱死制动系统）。位置传感器主要包括线性位置和开关位置类型，其中线性位置传感器主要用于感应线性或旋转运动，且传感器输出电压与外部磁场的强弱通常成线性关系，在汽车电子、工业领域中得到广泛应用；开关位置传感器通过外部磁场的强弱控制输出端的导通或关断，并可以配合速度、方向检测组合成解决方案，覆盖多种应用领域。电流传感器可以通过检测通电电流线周围产生的磁场，进而检测电流量，广泛应用于汽车、工业、消费等领域。电子罗盘是利用地磁场来定北极的一种方法，广泛应用于航空、航天、机器人、航海、车辆自主导航等领域。根据Yole的数据统计，目前，位置传感器（包括线性位置和开关位置等）应用场景最为广泛，在2021年应用规模最大，占磁传感器整体市场规模50%以上，预计未来五年年均复合增长率为9%；速度传感器和电流传感器的市场规模也将随着各类应用场景的增加，在未来五年保持一定增速。（二）磁传感器发展现状及趋势根据Yole的数据及预测，20