变频家电芯片核心模块 家电巨头积极“芯布局”

来源:互联网 作者:Sun yuanfeng 时间:2021-06-28 10:20

变频家电 芯片 核心模块

变频家电芯片基本可分为四大模块:变频功率、电源管理、主控制器、通信传感。变频家电中整机芯片成本占比约10%~15%;未来成本将随着变频&智能化性能升级同步增加。

变频家电主要电子零部件结构拆解,以空调为例包括:(1)主控制器/通信电路主板、(2)温度/湿度/压力/霍尔等传感器、(3)压缩机/风机电机的变频电路(IPM模块/IGBT等)。变频空调需要控制变频压缩机、直流风机、PFC模块;其中,主要芯片包括:MCU主控方案、压缩机IPM,风机IPM、AC-DC芯片、PFC相关(PFC驱动芯片、IGBT、FRD)等电路。

图1 变频器整机电路原理图:二极管/MOSFET/IGBT/PMIC各司其职


1.1、功率半导体是变频家电核心

功率模块在家电实现二大功能:电流转换(交/直流电变换)、电源供应(电流升/降压输出)。家电用功率芯片属于技术门槛高的蓝海市场;以芯朋微为例:公司家电PMIC毛利率近50%,高于消费标准电源类的30%;白色家电一般要求在家中使用5至10年,产品稳定性、可靠性要求高;同时,较高集中度有利于缩小体积;此外,家电相对于汽车电子、轨交等领域产品迭代快速且验证周期短,有利于国内芯片企业更快进行验证,导入本土化配套。

功率市场长期被海外企业把控,但是细分领域和应用较多,行业集中度较低;适合国内小规模企业单点突破逐步做大。中国大陆具备完整功率半导体产业链;IDM和Fabless+Foundry模式皆有,上下游协同进口替代。以IGBT为例,国内IDM企业包括华润微、比亚迪、华微电子等;Fabless企业包括斯达半导、中国北车等;Foundry有中芯国际、华虹宏力等,OSAT封测有华天科技、长电科技等。

IGBT在功率模块中可同时以IPM模组和分立器件形式存在,主要用于逆变(DC-AC直交流转换)。未来IGBT将持续向高电压、大电流和高集成度模组升级;模组和IPM模块应用占比有望提升。IPM将持续向更高度整合发展;除了原本变频功率模块,更进一步集成MCU微处理器、驱动电路、集成电源供应模组等元件;增加单位功率密度,为客户提供更好降本增效的产品。家电类IPM主要为600V-2000V应用,国内华润微、士兰微、斯达半导均能供应IPM模块。

MOSFET下游应用领域多样,高频特性难以被其他功率器件取代,适合用于体积小电子设备。MOSFET将朝向两条路径发展,低压/中低压将受益于处理器、智能快充、小家电等增量需求;高压则受益于新能源汽车、5G基站等增量需求;SiC-MOSFET在超高频应用则快速增长。家电类MOSFET国内供应链布局相对完善,华润微、士兰微、新洁能、闻泰等均达一定份额。

功率二极管和晶闸管为基础元件,充分竞争下市场集中度分散,国内外企业技术差距较小。二极管市场已有众多国内企业,例如:扬杰科技(2%)、瑞能(3%)、华润微、台基、闻泰等。晶闸管为利基小众市场,国内企业例如:捷捷微电(6%)、瑞能(12%)、华微电子、台基等。

1.2、电源管理芯片:电能供应指挥官

电源管理芯片(PMIC)为高集成度数位模拟混合IC,实现电能变换、分配、检测等管理功能。全球电源管理芯片市场超200亿美元;中国大陆市场为106亿美元,中国市场在全球占比54%,此外,2015-2020年复合增速达8%;PMIC产品细分种类多,对于线宽要求较低,行业准入门槛较低,目前国内企业主要在中低端领域竞争,高端市场还有较大发展机会。

家电终端各种环境配置,需要不同种类电源管理芯片;以3V至4.2V锂电池供电情况为例:

(1)配置LDO线性稳压给对杂讯很敏感的无线通讯模块供电;(2)配置DC/DC的Boost和功率开关为5V的USB插槽供电;(3)配置DC/DC的Buck-boost为3.3V传感器升降压供电。

家用电器PMIC需求量提升:一台家电中通常内置1-8颗PMIC,随着家电功能升级,PMIC的使用量和性能也随着实现不同的电能管理职责而提升;例如:AC-DC(内含PWM及高压开关晶体管),DC-DC或LDO(升降压调制给各个模块供电)、FPC、Gate Driver IC等。

家用电器PMIC对质量稳定性、可靠性要求高:要求具备700V以上BCD工艺平台,才能达到技术门槛;此外,PMIC失效会直接导致电子设备停机甚至损毁,属于家电关键芯片器件。PMIC主要被海外垄断,国内晶丰明源、芯朋微、圣邦股份开始突破AC-DC、DC-DC等芯片。

1.3、微处理器MCU:家用电器大脑

家电MCU随着智能化、变频化渗透率逐渐提升,MCU性能从8位向32位中高端产品升级;中国家电市场8位和16位MCU占比达到80%至90%,32位增长空间尚大;按照全球各应用领域MCU位来看,国内32位MCU占比仅21%,对比全球43%还有翻倍的增长空间。

微处理器MCU在智能化趋势下,芯片硬件模块配置逐步升级,包括工艺节点、内核BIT和主频、存储器容量、支援通信协议等;软件方面运算数据量增加,对人工智能算法、多任务实时操作系统RTOS、先进人机交互界等需求将越来越广泛。

全球MCU企业超过五十家,竞争激烈;海外IDM龙头垄断市场;但是近年来,国内中颖电子、华大半导体等领先突破家电、工控应用;逐步从低端消费类产品向中高端应用升级。

图2 智能家电MCU硬件升级趋势

1.4、通信芯片:从低端向高端突破

家电的通信场景主要采用短距离无线通信技术,用于实现家电联网智能化功能;短距离通信技术以WiFi、蓝牙、Zigbee为主,具备不同技术优势,WiFi用于智能设备和用户家庭范围之间的互联、蓝牙用于可穿戴式装置短距离互联,Zigbee用于M2M设备间互联。

WiFi+MCU的SoC芯片具备高集成度、低成本的优势;2020年WiFi MCU芯片价格已经降至1.5美元至0.5美元,预计在低端应用价格已经见底;因此,未来WiFi MCU将向中高端应用渗透,提高集成度和性能,例如:集成WiFi&蓝牙双通信协议、主频更高、接口更多等功能提升。

2019年新一代WiFi6协议802.11ax开始导入;国内主要路由器品牌皆推出WiFi6产品,有利于WiFi6加速渗透;WiFi6相较于上一代协议,具备高速率、大容量、低时延、低功耗要求高的场景尤其是对于室内智能家电的体验升级,将推动WiFi6和万物互联的应用增加。

智能家居对于性能要求较低,通信芯片和主控制板有望朝向单芯片式WiFi MCU发展;但是变频家电对驱动电机控制精度高,因此会采用主控制MCU外挂WiFi SoC;国内乐鑫科技、博通集成在WiFi MCU市场已有突破,未来有望持续加大家电领域渗透,并突破高端网通市场。

信号链芯片和传感器主要被海外企业垄断,国内企业整体规模较小,但是在细分领域突破。信号链芯片以TI、ADI、瑞萨等传统大厂为主;国内思瑞浦、圣邦股份、芯海科技占比不足1%。传感器产品种类众多,整体主要为欧美厂商;国内歌尔股份、敏芯股份、士兰微均有突破。

变频家电芯主要模块

本土代表企业

功率及模块

 

华润微、斯达半导、士兰微、扬杰科技、新洁能、捷捷微电、中芯国际、华虹半导体、闻泰科技、比亚迪电子

电源管理

晶丰明源、芯朋微、圣邦股份、富满电子、上海贝岭、明微电子

主控(软/硬)

和而泰、中颖电子、北京君正、拓邦股份、兆易创新、芯海科技、华大半导体、东载软波、贝特莱

通信单元

博通集成、乐鑫科技

信号链

思瑞浦、芯海科技、圣邦股份

传感单元

歌尔股份、敏芯股份、士兰微、华工科技、瑞声声学

表2  家电芯产业链本土代表企业梳理


芯片是家电的核心部件,家电企业掌握芯片技术既能有效防范海外芯片断供对供应链造成巨大影响、降低成本,又能把握行业未来发展方向。美的、格力、海尔等家电巨头纷纷积极布局芯片领域,希望抢占科技高地。

美的多点发力,拥有多个品类芯片产品。IPM是空调室外机变频电控中的核心芯片,美的于2010年就成立了IPM模块项目组,并于2013年实现国产自研IPM量产。2018年公司成立美仁半导体,正式进入半导体行业,主要产品覆盖家电芯片全品类的四个产品系列,包括MCU、功率芯片、电源芯片和IOT芯片等。在2021年AWE展会中,美仁展出了自研芯片,并透露公司在美的家用空调、暖通及楼宇、冰箱、洗衣机、厨房和热水等事业部均已完成产品测试,逐步进入批量销售阶段。2019年10月,美的loT公司发布了家电专用智能芯片HolaCon。此款芯片由美的IoT联合定制开发,并同时推出搭载HolaCon芯片的高性能低成本智能连接模组,已全面应用到美的全品类智能家电产品,而且该智能模组成本价格仅为9元。2021年1月,美的再次加码,成立美垦半导体技术有限公司,经营范围为集成电路芯片制造和销售、电力电子元器件制造、半导体分立器件制造、新兴能源技术研发等。格力芯片实现量产,并广泛应用于空调产品。2015年格力微电子所和功率半导体所成立,随后自主研发了MCU、IGBT等芯片,并且质量得到认可。2018年,格力电器成立全资子公司珠海零边界集成电路有限公司,专注于MCU、AIoT SoC和功率器件的研制与销售,主打嵌入式主控、语音识别、AI图像识别、变频控制等方案,芯片年销量超千万颗。2019年格力工规级MCU年产量已超1000万颗,且芯片达到进口芯片水平,已全面应用于家用空调挂机、柜机、商用多联机内机、线控器、空调遥控器等产品。

作为彩电领域的老牌企业,海信很早就涉足电视芯片研发。海信2005年生产了中国第一颗自主知识产权的数字视频处理芯片“信芯一号”。2015年末,海信发布Hi-View Pro画质引擎芯片,成为中国唯一拥有自主高端画质芯片的电视机企业,正式比肩行业巨头三星和索尼。2019年海信与青岛微电子创新中心有限公司共同成立青岛信芯微电子科技有限公司,专注于显示控制和画质芯片研发。2020年,信芯微的屏端驱动芯片(TCON)产品已经覆盖从高清到8K超高清全系,全年出货量超4000万颗,累计出货已达1亿颗,全球占有率超过50%,稳居第一,客户包括京东方、华星光电、中电熊猫、惠科和彩虹等主流面板企业。

海尔智能芯片助力智慧家庭场景战略。伴随着向场景化家居转型,海尔推出了专为智慧家庭应用场景深度定制的IoT芯片云芯Ⅱ代,引领智慧家庭领域的技术革新。此芯片率先应用到出口东南亚、南亚的海尔智能空调上,旨在加速海尔智能空调全球化进程。在此之前,2017年海尔U+就正式推出U+物联云解决方案——U+云芯,用于制造业及中小初创企业的物联网解决方案,助力传统企业制造升级。

家电制造涉及多种芯片,虽然涉足芯片领域的家电企业无法全面覆盖并实现完全自主供应,但是在自身掌握部分技术和产能的情况下一定程度上能缓解供应危机,并为未来持续深化芯片领域研究打下坚实基础。同时,作为龙头企业,在整个行业都面临短缺压力之时,能凭借自身的规模和品牌在供应商处获得优先权。


资讯排行榜

  • 每日排行
  • 每周排行
  • 每月排行

华强资讯微信号

关注方法:
· 使用微信扫一扫二维码
· 搜索微信号:华强微电子