2023年芯朋微研究报告 自研AC-DC高压工艺,逐步拓展至栅驱动芯片

1、芯朋微:高压壁垒铸就 AC-DC 细分龙头,二三成长曲线逐步铺开

1.1 发展历程:自研 AC-DC 高压工艺,逐步拓展至栅驱动芯片

700V 单片集成电源芯片起家,产品、应用领域逐步拓宽。自 2008 年 成立以来,公司主营业务和重要产品的演变可划分为三个阶段。 1)技术起步阶段:公司成立之初,专注于技术平台的开发,聚焦移动 数码和家用电器两大应用市场。移动数码领域完成 DC-DC 降压芯片, 家用电器领域突破了 700V 高电压 AC-DC 芯片,打破了国外芯片在此 领域的垄断。 2)拓展应用阶段:2010 年,研制出 50mW 超低待机外臵适配器芯片, 开始进入标准电源领域。2015 年以工业电表为起点进入工业领域。 2016 年,技术上公司突破 1000V 超高压 AC-DC 技术,零瓦待机技术, 产品上公司开启数字 PD 快充芯片研发。 3)拓展产品阶段:公司于 2015 年开始栅驱动芯片研发,2021 年逐步 放量,预计驱动芯片成为公司未来主要增长点。2022 年 3 月公司发布 定增公告,开启车规级芯片布局和工业芯片布局,未来或将从芯片向器 件扩展。

1.2 股权结构:创始人持股 30.27%,大基金参股助力发展

公司股权结构相对集中,实控人持股 30.27%。截至 2022Q4,公司董 事长张立新先生直接持有发行人 30.27%的股份,大基金持有 6.62%的 股份,公司总经理易扬波先生持股 4.11%。

创始人曾为华润上华总监。创始人张立新先生曾在于中国华晶电子集团 公司 MOS 圆片工厂任副厂长,华润上华任总监。公司总经理易扬波曾 创立无锡博创微电子有限公司,博创与芯朋合并。

1.3 主营业务:专注电源管理芯片,已布局三大业务

公司专注于开发电源管理芯片,在国内生活家电、标准电源等领域实现 对进口品牌的大批量替代,并在大家电、工业电源及驱动等领域率先实 现突破。

家用电器:从 AC-DC 向栅驱动拓展,从小家电往大家电拓展。一台家 电中通常内臵 1-8 颗电源管理芯片,包括 AC-DC 芯片(用于交流市电 转换)、DC-DC 芯片(用于二次升降压或电池管理转换)、栅驱动芯片 (Gate Driver,用于 IGBT 驱动或马达驱动)等。2005 年芯朋微从移 动数码 DC-DC 起步,2008 年以 AC-DC 切入小家电,2017 年切入白 电,并同时开始栅驱动研发,经过 2-3 年送样检验,2021 年起栅驱动 开始起量。

标准电源类芯片:由普通充电器 AC-DC 向快充的整套芯片拓展。标准 电源包括充电器、适配器,通常会使用 1~3 颗芯片,包括 AC-DC 芯片、 同步整流芯片、快充协议芯片。此前芯朋微标准电源类芯片主要为 ACDC 芯片,并逐步实现由普通充 AC-DC 芯片转向 PD 协议芯片+ACDC+同步整流套片出售。

工业类芯片:巩固电力电子,转向通信光伏汽车。工业电源管理芯片 通常包括栅驱动芯片、AC-DC 芯片、DC-DC 芯片等。2015 年芯朋微 切入电力电子市场,2021 年通信领域客户上量。目前主要用于工控设 备、智能电表、智能断路器、电网集中器、服务器、通讯设备、无人机、 电机设备、水泵/气泵、高尔夫车、汽车马达风扇。

2022 年实现收入 7.2 亿元,净利润 0.9 亿元,均同比下降。受经济低 迷+缺芯潮缓解的影响,公司 2022 年营收同比下滑 4%,归母净利润 8984 万元,同比下滑 55.36%,净利润下滑主要受毛利率波动、费用 率波动和资产减值损失的影响。 2022 年 Q4 收入环比实现增长。分季度来看,2022 年收入下降主要来 自下半年, 2022 年 Q3 总营收同比减少 27%,2022 年 Q4 公司实现收 入 1.92 亿元,同比下滑 11.74%,但环比增长 26.28%,环比见底回升, 2022 年 Q4 毛利率 40.27%,环比-1.17pct,基本保持了稳定。

下游包括家电、标准电源、工业三大类。2022 年三大主营业务占分别 占营收的 52%、24%、21%,其中各业务毛利率分别为——工业驱动 芯片 55%(yoy-0.37pct)、智能家居 42%(yoy-0.38pct)、标准电源 30%(yoy-4.42pct)。2022 年家电受益于白电 AC-DC 和 Gate Driver 市占率提升,同比增长 8.28%,工业市场由于客户覆盖率提升,同比 增长 26.76%,标准电源受手机市场景气度影响,同比下滑 32.74%。

1.4 研发实力:拥有工艺器件专家团队,打造高压壁垒

拥有工艺器件专家团队,打造高压壁垒。公司产品核心壁垒在于高压 器件及工艺,因此除了芯片设计人才之外,还拥有半导体器件和工艺制 造方面的专家团队,在生产环节中能够更好地与晶圆供应商深度协同, 指定供应商采购符合芯片性能的原料,制定更优的器件结构。2022 研 发费用率达到 26%,研发人员截至 2022 年底为 238 人,本科及以上 人数 218 人,硕士及以上人数 88 人。

股权激励充分。自上市起每年进行股权激励,2020 年股权激励占公司 股本 1.06%,股权激励对象占公司总人数 13.02%,2021 年股权激励 占公司股本 0.92%,股权激励对象达总人数 33.73%,2023 年股权激 励根据草案情况,占总股本的 0.3%,授予对象占总人数的 4.21%。

员工持股计划彰显未来强劲增长信心,3 年营收 CAGR 不低于 33.2%。 2023 年 3 月 16 日,该计划规模不超过 50 万股,约占总股本的 0.44%, 参加对象为董监高(7 名,占持股计划的 29%)及骨干员工(33 名, 占持股计划的 71%),受让价格为 39 元/股,解锁考核年度为 2023- 2025 年,收入目标分别不低于 10/13/17 亿元,按照 3.16 日收盘价 76.2 元/股计算,确认总费用 1860 万元,2023-2026 年摊销额分别为 632.92、759.50、364.25、103.33 万元。公司此次员工持股计划,业 绩目标 2023 年收入增速不低于 39%,2023-2025 年 3 年 CAGR 不低 于 33.2%,彰显了未来强劲增长的信心。

1.5 募投项目:布局汽车、新能源芯片及功率器件,第三曲线待展开

计划投资 11 亿元布局汽车、新能源。2022 年 3 月,公司发布定向增 发,公司计划投资 11 亿元用于三大项目的开发,将应用领域延伸至汽 车及光伏逆变/储能/充电桩等大功率工业场景,从现有业务切入并逐渐 拓展至功率器件芯片,其中 9.7 亿来自于定向增发。

2、AC-DC:凭借高压工艺优势,稳坐大陆龙头

2.1 行业:AC-DC 需要高压工艺,高壁垒孕育细分龙头

2.1.1 AC-DC 产品用于交流转直流,市场规模约 30 亿美元

AC-DC 芯片为交流转直流电路中的核心器件。对于直接输入交流电的 用电设备,如家用电器、手机充电器、工业设备等,需要先将交流电转 为直流电,用直流电为其他芯片供电。AC-DC 芯片即是交流转直流电 路中的核心部件,一般一块电路板上用一个 AC-DC 芯片。

交流转直流电路通常工作流程如下:一般先通过全波整流将电压从交流 转化为直流并平滑后,再通过 DC-DC 转换输出稳定的 DC 电压。DCDC 转换部分一般采用开关式转换,即将 DC 输入通过高频脉冲宽度调 制信号控制开关管斩波转化为 AC 信号,再进行整流和平滑得到稳定 DC 电压。经过 DC-DC 转换,可输出不同的 DC 电压。

AC-DC 芯片为交流转直流电路的核心器件,通常由控制器和 MOSFET 管集成。下图即是交流转直流电路,其中 AC-DC 芯片为核心 器件,主要用于输出高频脉冲宽度调制信号,对电路中的 MOSFET 管 进行控制,来达到控制导通/关闭斩波的目的。目前主流芯片常常将控 制器和 MOSFET 进行集成,封装在一颗芯片中。比较简单的方法是 MOS 与控制器分别制造,封装时 MOS 管与控制器一起封装,更高级 的方法是晶圆设计时将 MOS 与控制器一起设计,制造晶圆级 MOS, 这样能够缩小元件尺寸。

主流厂商均采用“控制器+MOS”集成方式,MOS 管考验高压能力。 目前主流厂商的 AC-DC 芯片均是控制器和 MOS 管的集成,其中 MOS 要求耐高压能力。目前 AC-DC 主流耐压值在 650V-700V, PI 最 高耐压可达 1700V,安森美最高耐压达 1000V。国内厂商目前芯朋微 最高耐压可达 1500V,矽力杰可达 980V。

耐高压壁垒的存在,使得 AC-DC 芯片行业可孕育细分龙头。由于 ACDC 芯片要求耐高压能力,与其他电源管理芯片存在一定隔阂,因此 AC-DC 芯片行业的主流玩家与电源行业的主流玩家并不一致,该板块 细分龙头为 PI,此外其他知名公司包括 ST、TI、NXP、安森美、MPS、 昂宝等。国内方面,芯朋微作为专做 AC-DC 的公司实力表现突出,得 益于高压工艺方面的深厚积累,公司 AC-DC 产品最高耐压等级可达 1500V,为国内最高,矽力杰可达 980V。芯朋微在中小功率段的消费 电子市场上逐渐替代欧美和中国台湾厂商的份额,并向工控、通讯、汽 车等高端赛道发展。

2.1.2 产品分类:PSR、SSR、LLC 半桥为主流芯片

常见交流转直流电路的拓扑结构:反激电路(中小功率场景)、半桥芯 片(中大功率场景)。按输入输出是否进行电磁隔离,拓扑结构可以分 为隔离式和非隔离式。非隔离式包括 Buck、Boost、Buck-boost;隔离 式包括 Flyback(反激)、半桥、正激、全桥等,其中中小功率应用上 常用 Buck、Buck-boost,中小功率常用 Flyback,大功率常用半桥。

不同拓扑结构中使用的芯片不同,主流 AC-DC 芯片包括 PSR、SSR 芯片(反激电路中使用),LLC 半桥芯片(半桥电路中使用)。 1)在反激电路中:包括 PSR 和 SSR 两类 AC-DC 芯片,其中 PSR (原边反馈反激式芯片)利用辅助线圈获取输出电压信号反馈来调 节输出的,SSR(副边反馈反激式芯片)利用光耦传递副边采样的 输出电压信号来调节输出的。其中 SSR 芯片为曾经主流芯片,二 近几年小型化需求下 PSR 需求增多。 2)半桥电路中:主要使用 LLC 半桥芯片,其利用 LLC 谐振减少电容 电感充放电。 3)其他辅助芯片:辅助芯片主要有两种,第一种是当副边侧的二极管 被 MOS 代替以减少功耗、提升效率时,需要同步整流 SR 芯片; 第二种是在高于 75W 功率场景下用于提升效率的 PFC(校正功率 因数)芯片。

AC-DC 主要有三种工作模式,连续模式 CCM,断续模式 DCM 和临界 模式 CRM(QR),对于反激芯片一般通过控制器设计支持 CRM 模式, 对于半桥芯片一般使用 LLC 电路来实现准谐振。

2.1.3 应用分类:工业用电与家用电

从应用领域看,AC-DC 主要应用于两类市场: 1)以工业用电为输入电源的:如服务器、智能电表。 2)以家用电为输入电源的:包括家电、充电器/适配器、电视/显示等 消费电子产品,以及电动车/电动工具等偏工业领域的产品。

不同应用场景对于 MOS 耐压值有不同要求。 一般家用电(220V 输入)至少 650V 耐压值,工业用电(380V 输入) 至少 900V 耐压值,部分电路因为输出电压较高需要 1200V 以上耐压。 耐压值要求可以向下兼容,高耐压应用于较低耐压需求场景则更加安全。

2.2 横向对比: 产品覆盖度位于大陆前列,部分技术指标优异

1)从产品上看,芯朋微非隔离、PSR、SSR 芯片已布局较多,且拥有 SR 芯片产品,而半桥芯片和 PFC 芯片也有推出新品,品类位居大陆 前列。 2)从应用上看,芯朋微更多偏向家电和标准电源,工业新品陆续推出。 3)从技术指标看,在各种类型芯片各项指标上均处于世界前列,PSR、 SSR 和半桥芯片指标可以接近顶尖水平。

2.2.1 产品覆盖度:产品品类、下游应用两维度,位于大陆前列

品类上:芯朋微在非隔离、反激、同步整流(SR)上布局较多,半桥、 PFC 已推出新品。 1)海外厂商:海外龙头 PI 布局最为全面,并借助其 Fluxlink 技术优势, 在 SSR 芯片上布局最多;MPS 今年新进入该领域,所有产品相对较少; 安森美专注反激 SSR。 2)大陆厂商:大陆厂商中,AC-DC 芯片数量相对较多的包括芯朋微、 必易微、晶丰明源,昂宝,但主要集中于隔离芯片、反激芯片(PSR、 SSR) 和同步整理 SR 芯片,但对于输出功率等级要求更高的半桥芯 片目前还布局较少。

应用领域上:芯朋微在标准电源、家电上布局较多。 1)国际龙头: PI、MPS 基本是所有领域均衡布局。在工业领域优势 明显。 2)大陆厂商:有所侧重,基本都在家电、充电器/适配器领域布局较多, 其中芯朋微料号数排在前;而在智能电表/工业上大陆厂商都相对布 局较少,其中芯朋微在大陆厂商中相对布局更多。

从已推出产品功率范围看,芯朋微比肩海外龙头 PI。功率范围也是衡 量公司产品覆盖面的维度之一,因此我们将芯朋微现有产品与 PI 同品 类、同应用领域的产品做了对比:芯朋微的非隔离 AC-DC 芯片在家电 领域功率范围更广。在 SSR 和 PSR 反激 AC-DC 芯片上,应用范围与 PI 稍有差距,部分产品看齐。SR 芯片上,芯朋微的额定电压偏低,主 要应用于小电压领域。

2.2.2 技术指标:部分重点布局产品技术一流

最大击穿电压、导通电阻、无负载功率是 AC-DC 芯片最重要的三个指 标。虽然输出电流/电压精度同样是反应芯片水平的指标,但由于模拟 电路一般可以容忍一定程度的输出电压波动(±5%),且全部的 ACDC 芯片都可以达到 5%以内的输出误差,在实际应用中比较该指标意 义不大。 而最大击穿电压、导通电阻、无负载功率是衡量 AC-DC 芯片 的重要指标。

我们统计了各公司料号,主要通过官网和官方数据手册得到数据。  1)非隔离 AC-DC 表现一般:在我们统计的 143 种料号中,芯朋微芯 片导通电阻较低,无负载功耗较普通,单位体积功率较普通。2)集成 MOS 的 PSR AC-DC 单位功率表现出色:在我们统计的 125 种料号中,芯朋微芯片导通电阻低,无负载功耗较普通,单位体积功率 高。

3)集成 BJT 的 PSR AC-DC 较弱势:统计的 40 种料号中,芯朋微产 品较少,参数指标表现一般。

4)SSR AC-DC 技术表现一般:在我们在统计的 335 种料号中,芯朋 微芯片导通电阻低,无负载功耗较低,单位体积功率较高。

2.3 公司:布局标准电源、家电、工业三大领域

标准电源:芯朋微此前主攻普通充电器、适配器,以其独有的高压启动 技术将充电器能耗降至 30mW,符合国外五星级能耗标准,与白板品 牌商合作出口欧美,走高端化高毛利路线,下游应用包括路由器、机顶 盒、PC、平板、电动工具、电动两轮车等。2019 年起,公司逐步从普 通充拓展到快充,并协同同步整流芯片和协议芯片同步出货。

家电:公司此前主要应用于小家电,在市场具有较大竞争力。而大家电 市场过去主要由海外芯片厂商垄断,公司从客户的小家电产品为突破口, 逐渐切入大家电,未来将进一步实现国产替代。目前芯朋微在家电领域 的标杆客户包括美的、海尔、海信、格力、奥克斯、苏泊尔、九阳、小 米等。

工业:发挥低功耗高耐压优势,工业领域扎根智能电表。智能电表领 域对功耗要求很高,对耐压值同样有一定要求。芯朋微依托其 30mW 以下待机功率与超高耐压值 MOSFET 优势,进入智能电表领域,此外, 公司在通信领域也有较大体量。

3、栅极驱动:公司第二成长曲线,进军白电、工业

3.1 行业:栅驱动为电机的核心芯片,行业高度集中

3.1.1 产品用途&形态:用于电机中驱动 MOSFET 工作

在开关电源电路中,可以加入栅极驱动芯片。在开关电源中加入栅驱 动提高 MOS 管驱动能力,加快 MOS 管导通速度,从而提高开关频率, 减小开关损耗。

在需要变频的电机中,通常需要用到栅驱动芯片。电机控制通常由 MOSFET 控制电路导通和关闭来进行控制,栅极驱动 IC 则是控制 MOSFET 从而对电机进行控制的 IC,通常接收 MCU 的开闭小电压信 号,输出使 MOSFET 导通的栅极电压。一般来说,在要求不高的 领域如简易榨汁机,可以直接通过“实体开关”或“反相器+继电器” 来决定电机是否运行;但是在高端领域,如变频空调等,通常需要由 MCU 和栅驱动芯片,来共同调节电机的转速、方向。

一般的栅极驱动芯片包含简单的控制逻辑和栅极驱动部分,还可进一步 集成 MOSFET 集成到栅极驱动内,部分公司将集成了 MOSFET 的栅 驱动芯片称为电机驱动芯片。部分厂商还进一步将 MCU 的功能集成到 芯片中,如英飞凌的 MOTIX 系列。通常低边/高边/高低边为 PreDriver 的芯片形式,半桥/全桥/三相三种形式都有。

栅极驱动的主要壁垒在于单晶圆耐压值,光照版,掩膜,通电层,绝缘 层,电路层等工艺环节需要逐个突破。目前主流耐压值在 700V,英飞 凌可达 2300V 耐压,TI 可达 2121V 耐压,IR 可达 1200V 耐压。

栅极驱动芯片市场快速提升,根据 Maximize Market Research 数据, 在 2021 达 12.6 亿美元,按照年复合增长 5.3%计算,预计 2029 年达 19 亿美元。行业头部玩家为 IR(2014 年被英飞凌收购),此外英飞凌、 TI、ST、安森美等也有较高份额。

3.1.2 产品分类:半桥驱动等为主流芯片

栅极驱动芯片的产品包括:低边,高边,半桥,全桥,三相芯片。按 照不同拓扑结构中的应用,栅驱动芯片可以分为低边,高边,半桥,全 桥,三相芯片,其复杂程度依次升高。高边驱动芯片相比于低边驱动芯 片需要额外加入自举电容让 GS 保持一定的压降,以确保稳定、连续的 开关;半桥芯片相对于高边芯片需要加入互锁控制避免短路;全桥,三 相芯片虽不需设臵四区进行互锁,但需要增多输出通道。当前主流驱动 芯片为结构相对简单,同时兼顾低漏极电流(低功耗)和保护作用的的 半桥驱动芯片。

3.2 横向对比: 产品布局大陆最全

从产品布局上,重点布局主流产品半桥驱动和三相驱动,除高边驱动之 外的其他品类上也均已推出产品,产品局部大陆最全。  技术指标上,重点产品接近海外大厂水平。

3.2.1 产品覆盖度: 重点布局主流产品半桥驱动,产品门类大陆最全

品类上: 1)海外厂商:芯片种类布局上,英飞凌、IR、安森美布局最为全面, 其中 IR 多为不集成 MOS 管的栅驱动,其他厂商多为集成 MOS 的 电机驱动。而 TI 则主要集中在低边、半桥、全桥三类产品上。 2)大陆厂商:国内厂商普遍只生产最主流的半桥驱动芯片,而芯朋微 则是国内厂商中布局最为全面的。

3.2.2 技术指标: 重点产品接近海外大厂水平

我们主要通过官网和官方数据手册得到统计的所有料号参数。分类方式 参考英飞凌官网和芯朋微官网,由于步进电机驱动芯片参数普遍披露较 少,这里暂不做比较。总结来看: 1)各厂家低边/高边/高低边驱动料号较少,芯朋微只有 10 种双低边驱 动芯片,3 种高低边芯片,低边/高低边技术难度不高,简单的 MOSFET 驱动即可,各厂家技术实力接近。 2)半桥芯片上,芯朋微料号较全,技术水平较高。 3)无刷电机和三相电机用的三相驱动器上参数略低于国外厂商。

单晶圆电压差、输出端电流、传输延迟、波形失真是栅极驱动芯片的 核心技术指标。我们针对这四个技术指标对于各家的栅极驱动芯片进行 比较。

低边芯片:在统计的 263 种料号中,电压范围在 5~40V,中位数为 20V,IR 有一款支持 200V 电压,芯朋微低边驱动芯片电压在 18~200V。所有料号中 Ton/Toff 范围 7~150/7~230ns,中位数 19/19ns,英飞凌普遍在 10-20ns,芯朋微可达 7ns Ton/Toff。

半桥驱动器芯片是目前最主流的芯片拓扑,国内厂商因半桥为栅极驱动 芯片中最基本的构型多以半桥切入半桥驱动芯片。统计的 241 种料号 中,电压范围在 5.5~1225V,中位数为 600V,安森美做到最高1225V 电压,芯朋微电压范围 18~1200V。所有料号中 Ton/Toff 范围 8~750/8~750ns,中位数 110/100ns,英飞凌,TI,安森美可达 10- 20ns,芯朋微芯片最低 40/40ns Ton/Toff。

芯朋微全桥芯片为集成 MOS 的 Driver 芯片,主要对标 TI 公司,在参 数上略低于 TI 水平,统计的 94 种料号中,电压范围在 7~115V,中位 数为 40V,TI 做到最高 115V 电压,芯朋微电压范围 9~40V。所有料号 中 Isleep 范围 0.0035~7000μA,中位数 2.25μA,TI 可达 0.0035μA 低漏极电流,芯朋微可做到 0.1μA。

芯朋微三相驱动器在国内水平一流,国际上相比其他厂商参数上仍有劣势。 统计的 39 种料号中,电压范围在 24~1200V,中位数为 600V,英飞凌做到 最高 1200V 电压,芯朋微电压范围 24~600V。所有料号中 Ton/Toff 范围 7~700/7~650ns,中位数 500/490ns,英飞凌最低可达 35/35ns,芯朋微最低 可做到 7/7ns。

3.3 公司:进军白电领域,通过并购进入工业市场

依托高压栅极驱动能力,白电领域定点突破。芯朋微依托高压能力和 与下游客户关系,从白电栅驱动入手。单片价值量 ACDC 平均不到 1 元,栅驱动平均 3-5 元,高价值量芯片带来更大营收成长空间。

通过并购安趋电子进入工业领域。公司 2021 年 6 月收购安趋电子 100%股权并实现并表,并通过整合上下游资源不断推出新品、在标杆 客户不断上量。


(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

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