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全球電源管理IC市場發展現況與趨勢
 

【作者: 郭秋鈴】   2003年10月05日 星期日

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隨著半導體終端產品朝向輕薄短小、數位化和整合多功能三大趨勢發展下,無論在影音訊號的輸入與輸出、電子產品電源供應、管理或是通訊信號的傳輸與媒介,類比訊號的處理已成為不可或缺的要角,90年代中後期類比技術勢力更是快速掘起。


在高度數位化趨勢下,數位IC技術在製程微縮後對於電壓的變化、電流容忍和保護日益重要,不同的IC需要不同的供應電壓,因而促成更多電源管理IC需求的興起;不僅如此,終端產品如手機由於整合的功能愈多,隨之而來的電力需求和電池壽命長也成必備要素,因此佔類比IC市場比重約兩成比重的電源管理IC便成為半導體業者爭相競逐的主戰場。


全球類比IC市場簡介

類比IC包括標準類比IC (Standard Linear)和特殊應用標準類比IC (Application Specific Analog)兩大類,涵蓋範圍相當廣泛。再就細項區分,標準類比IC 涵蓋放大器(Amplifier)、電壓調整/電壓參考(Voltage Regulators/References)、訊號界面(Interface)、資料轉換器(Data Conversion)和比較器(Comparators)五大類;至於特殊應用標準類比IC則包括電腦及週邊、消費性、電信、汽車以及工業用/其他共五類。


由於類比IC應用普及,其技術的建立需要長時間累積,再加上類比IC無法像數位IC一樣有大量的電子設計自動化(EDA)工具和IP可重複使用,所以類比IC的設計相當需要經驗的累積,新進業者不易在短期跨入造成殺價競爭,因而類比IC價格不易大起大落。例如2003年上半年類比IC平均售價為0.57美元,與2002年的平均售價(0.59美元)幾乎無差異,即使與景氣高點2000年(平均售價0.74美元)相比差距亦屬有限;不僅如此,類比IC市場成長性亦相對其他記憶體、邏輯和微元件等半導體元件穩定許多,WSTS(World Semiconductor Trade Statistics)估計,2002年至2006年類比IC市場年複合成長率預估將達10.5%,佔全球半導體市場比重約在16%~17%之間。以2003年的市場來看,WSTS統計2003年上半年全球類比IC市場規模為125.5億美元,全年預估將達 260億美元,較前一年成長8.8%。



《圖一 1998年至2003年全球類比IC市場規模》
《圖一 1998年至2003年全球類比IC市場規模》

全球電源管理IC市場及業者概況

電源管理IC簡介

電源管理可簡單定義成:電源管理為控制一個系統中電壓和電流隨時間變化的狀況,一個好的電源管理必須能提供足夠的電力供系統正常運作,且能充分發揮系統之功能和符合成本效益。


電源管理可約略分為可攜式系統(Portable System)、穩定系統(Stable System)、動態系統(Dynamic System)和自動化系統(Automatic System)等四大類應用市場,關於上述應用之特點和代表性產品請參照(表一)。其中手機、主機板、筆記型電腦、數位相機和LCD顯示器等可說是廣為看好的電源管理應用市場。再就電源管理半導體市場規模來看,電源管理IC和功率分離式元件(Power Discretes)各佔三成五和六成五的市場比重,2003年電源管理IC市場規模約略在50億至60億美元之間,本文以下將以電源管理IC為討論重點。


(表一) 電源管理四大主要應用範圍
種類 Portable System Stable System Dynamic System Automatic System
特點 長時期使用 較低的接取費用& 穩定品質

兼具效能和成本效益

便利性
代表應用產品 Mobile Phone

Notebook

PDA

Hearing aids

Video Camcorder

Digital Camer

Server

Base Station

Security System

PC

Automobile

Microwave ovens

Fax Machine/Printer

TV

Remote keyless entry for cars

Automotive air bag

light-sensitive lighting


儘管SoC(系統單晶片)設計概念日益普及,但市面上號稱SoC晶片者卻因製程、成本和效能之故,使SoC晶片中仍未將電源管理功能整合在內,因此,外加的電源管理IC便得負起啟動(Power)和保護(Protect)上述敏感甚至昂貴SoC晶片的任務。尤其,強調運算速度的微處理器至今已堂堂邁入GHz等級,更需要更多的電源管理IC輔助散熱和電源管理功能,Intel於2003年三月推出之Centrino行動運算平台標榜不僅是內建Wi-Fi無線通訊模組,省電功能和更長的電池壽命更是訴求重點,因此電源管理IC之重要性更可見一斑。


電源管理IC分類

電源管理IC可粗分為電壓調整/參考(Voltage Regular/Reference)、電池充電/量測(Battery Charging/Measurement)、熱插拔(Hot Swap/Plug)、電壓監控(Voltage Supervisor/Monitors)和電源管理單元(Power management unit)等幾大類,其中電壓調整/參考電源管理IC還包括線性調整器(Linear Regulator)、交換式調整器(Switching Regulator)、交流電壓產品(AC Voltage Product)、交換式電容充放器(Switched Capacitor Charge Pumps)和電壓參考(Voltage Reference)等次類別。(圖二)為市場調查機構Gartner Dataquest 在2001年針對電源管理IC設計數目所作成之各類產品分佈比重;交換式電壓調整器(24.9%)、線性調整器(17.2%)和電壓監控器IC(12.8%)依序為佔比重最高的前三大產品,由此亦可看出電壓調整/參考器在電源管理IC所佔比重之高!



《圖二 電源管理IC次類別佔2001年度設計數量之比重》
《圖二 電源管理IC次類別佔2001年度設計數量之比重》

主要電源管理IC業者

近年來多家半導體業者爭相進入電源管理等類比IC領域的理由不外乎:類比市場成長穩定、不似其他產品大起大落、以及資本市場對於專擅類比IC業者如Linear和Maxim高產品毛利率給予正面評價等理由;除此之外,類比IC技術應用範圍廣泛,更可與公司既有之核心技術結合產生綜效也是重要考量因素,最具代表性的例子莫過於美商TI結合其在DSP技術和電源管理IC技術,至今成功地在手機晶片組和電源管理IC打下江山。


依電源管理IC公司數量的區域分佈來看,美國公司以七成比例位居第一,其次為兩成比例的日本公司,亞太和歐洲公司各佔一成比重。再就電源管理IC公司的性質區分,七成為自有晶圓廠的整合元件製造商(IDM),僅有三成屬於IC設計公司,美國、日本和歐洲類比IC業者多屬於自有晶圓廠的IDM,至於iWatt、Linear Dimension、O2Micro和Volterra這類IC設計公司在國外仍屬少數;而台灣業者則絕大多數為IC設計公司,採取和晶圓代工廠合作模式取得競爭利基;參考(表二)。


(表二) 全球代表性電源管理IC業者區域分佈情形 *代表IC設計公司
區域業者 美國 日本 歐洲 亞太
代表性公司 Analog Device Fujits 

Infineo  

ADD*
Fairchild Hitach   Melexis    Analog   Interation
Intersil Matsushit O2Micro* Anachip
Internationl Mitsubish   Philip   Anpec*
Rectifier NEC   STMicroelectroni Aimtron
iWatt* Ricoh CS Fortune  Semiconductor
Liner Technology Sanke Zetex GMT*
Liner Dimension Seiko Epson   RichTek
Maxim Sany     System  General
Motorola Sharp    AAT*
Ns Toshib    
On Semiconductor      
TI      
Vishay      
Volterra      

全球前十大電壓調整/參考IC業者

電壓調整/參考IC佔電源管理IC市場比重高達五成,可說是相當具代表性的產品。(表三)列出全球前十大電壓調整/參考IC業者,美國業者獨占鰲頭在前十大名單中即囊括八名,前三大業者分別為TI、Fairchild和NS。再就各區域業者佔有率來看,美國業者以七成市場佔有率領先群倫,日本業者以22%比例排行第二,歐洲(5.6%)和亞太業者(1.1%)則各居第三和第四名。


再就電壓調整/參考IC的市場分佈來看,亞太、日本、美國和歐洲依序為前四大分佈市場,其中,亞太地區由於位居全球重要資訊、通訊和消費性電子產品系統廠商所在地,因而對電源管理IC的需求量也最大。綜觀電壓調整/參考IC除了在資訊用主機板攻城掠地外,通訊(手機、WLAN)和數位消費性產品(DVD Player、數位相機)的成長性亦相當被看好。


(表三) 2002年全球前十大電壓調整/參考IC業者及各區域業者市佔率
排名 公司 2002年營收($M) 2001年營收($M) 2002 Market Share(%)
1 TI 355 371 11.3
2 Fairchil 296 216 9.4
3 NS 289 256 9.2
4 Linear 249 378 7.9
5 Maxim 231 264 7.4
6 On                     Semiconductor 191 156 6.1
7 Intersil 167 104 5.3
8 STMicroeletronics 134 163 4.3
9 Shaken 125 89 4.0
10 Power Integration 108 94 3.4
美國公司合計 2,241 2,157 71.4
日本公司合計 688 579 21.9
歐洲公司合計 176 197 5.6
亞太公司合計 34 32 1.1

台灣電源管理IC設計業者

國內電源管理IC之應用市場可分為主機板CPU的電源管理、電源供應器所需之Pulse Width Modulator(屬於Switching Regulator)和可攜式產品三大應用領域,每年台灣類比IC市場規模約30億美元。不過,我國因為以往在類比IC領域著墨不多,因此九成以上類比IC均仰賴進口。


現階段國內標榜專注類比IC設計之公司家數僅佔國內設計業總數約一成比重,就產值而言,2002年類比IC產值僅佔我國設計業總產值的4.7%,足見國內國內投入類比IC設計的資源相當有限,類比IC勢力遠不及數位IC勢力。儘管如此,由於台灣為主機板、筆記型電腦、數位相機和LCD監視器等主要系統廠商所在地,因此電源管理IC可說是國內類比IC設計公司投入的主力產品,屬於電源管理IC的電壓調整/參考IC營業額以46.5%佔最大宗。


國內從事類比IC設計的前三大業者依序為立錡、茂達和沛亨,上述公司營業額在6.6億至11億台幣不等,立錡是第一家營業額超過10億台幣的類比IC設計公司,而上述業者亦是國內電源管理IC的領先廠商,與外商TI、Fairchild和Intersil等同台競逐。(圖三)為我國類比IC設計業者營收和成立時間概況,1992年沛亨是國內第一家成立的類比IC設計公司,1997年以後國內類比IC設計業家數才快速成長,這些類比設計公司的資本額均在數千萬至4億多台幣之間,2002年營收大於3億元的廠商就超過八家。



《圖三 台灣類比IC設計公司概覽》
《圖三 台灣類比IC設計公司概覽》

電源管理IC未來發展趨勢

設計趨勢

綜觀類比IC對品質要求不外乎速度(Speed)、精準(Precision)、功率消耗(Power consumption)、電壓控制能力(Voltage capability)、電流控制能力(Current capability)、可靠度(Reliability)和穩定度(Stability) 等七個評估指標,因此,有鑑於低電壓、低耗電量和更長的電池壽命等可攜式產品應用需求興起,電源管理等類比IC必須符合高轉換效率、省電和避免過熱的問題,因此電源管理勢將朝向更低的混合電壓系統、低耗電量和支援許多USB 2.0等新興標準規格設計方向進行,而更小的封裝體積和功率消耗需符合環保(或稱綠色能源)需求亦為未來發展趨勢。


此外,雖然整合類比和數位電路的SoC設計概念日益普及,但市面上號稱SoC晶片卻因數位、類比製程整合不易、成本過高和效能不若預期,因而形成高整合度和高效能間的兩難,因此部分類比電路如電源管理IC在短期內並不適合作整合,仍將持續獨立於SoC晶片之外。


製程趨勢

電源管理等類比電路的元件特性屬於連續之操作區間,在動態響應(動態電壓迴轉率)、更低的混合電壓系統、低耗電技術發展方面要求相當嚴格,因此,深厚的類比IC設計功力、穩定的製程參數和各種類比製程研發經驗是類比IC公司必備的要件。類比IC具備生命週期長的特性,現階段仍集中在5、6吋廠生產,尤以6吋廠為最大宗,製程水準自1.0至0.4微米製程不等,採用製程種類包括Bipolar(雙極性電晶體)、BiCMOS和CMOS等,以滿足電源管理IC對不同電流和電壓的需求。


類比IC最傳統的製程當屬Bipolar,1980年代以來類比CMOS製程技術快速進展,適用於低電壓之類比IC應用以及成本優勢,再加上CMOS晶圓廠產能遠較Bipolar為充沛等因素使然,原本採用Bipolar製程的電源管理IC漸轉向採用CMOS製程,例如台積電的6吋晶圓廠以CMOS製程生產電源管理IC已獲得相當成效。儘管採用CMOS製程不免在效能和雜訊方面有疑慮,但隨著CMOS製程長足進步和成本效益大的誘因下,除了一些高性能、高頻類比元件仍需採用BiCMOS或SiGe BiCMOS(結合SiGe HBT與CMOS製程而成)製程外,電源管理等類比IC採用CMOS製程製造已是大勢所趨。


整合併購趨勢

類比IC市場特性包括成長穩定但技術變化並不大,尤其類比IC人才有限,而多家公司卻又同步投入市場角逐的情況下,強弱相爭使得業界洗牌或併購案層出不窮。2002年類比IC業界仍有多起整合併購案,舉凡微控制器大廠Microchip 併購PowerSmart、Fairchild 併購Signal Processing Technologies和Intersil併入Elantec等,均是業者為增加產品線縱深和擴展市場佔有率的例證。


結語

隨著電子產品高度數位化和輕薄短小、省電觀念大行其道,電源管理相關類比IC市場發展潛力已廣為外界看好。2000年以來,國內前兩大純類比IC設計業者在營收和獲利均有不錯的成果,連帶使得國內資本市場對類比IC設計的關愛程度與日漸增,簇擁不少新興類比IC設計公司爭相設立,儼然形成一股新興勢力!然而,類比IC技術門檻高,「後進」的台灣類比IC設計業者切入此市場就得面臨好手如雲的情況,包括TI、Maxim、Linear、Fairchild和Intersil等老牌半導體業者都已在類比領域耕耘多年,因此台灣類比IC設計業者仍得面臨不小的挑戰。


首先,類比IC設計人才的取得充足與否,將國內類比IC設計業能否展翅高飛的最大罩門。類比IC設計因為需精通半導體元件物理、製程和電路設計因而技術門檻較高,再加上電子設計自動化(EDA)工具在類比IC設計所能扮演的角色相當有限,所以類比IC的設計相當需要經驗的累積,類比人才養成相當不易。無疑地,以國內情況來看,優良的類比IC設計人才仍將流入聯發、瑞昱等以混頻技術見長的公司,其次才是前幾大純類比IC設計公司,因此國內欲提昇類比IC設計水準,除了學、研界加強類比IC專才的培養外,延攬美國矽谷近期因不景氣釋出的類比IC設計人才,將也有助於縮短與國外類比IC設計技術的差距!


其次,國內業者多半投入於標準型類比IC產品,由於同質性高的類比IC設計業者投入易流於成本競爭,業者若不想淪為標準型類比產品之電源管理IC殺價競爭之一員,必須持續加快往技術進入障礙較高的可攜式產品電源管理IC領域才行,比品質、服務、效能、交期、系統 Know-how和成本優勢更是缺一不可!


儘管前有技術和人才的挑戰,但整體而言,台灣在電源管理IC市場應有不錯的發展機會。國內類比IC設計業者因為地近資訊、通訊和消費性電子製造和代工系統業者,透過完善的技術支援和廠商在產品設計和系統端頻繁互動等方式,在成本、效能和穩定度已達水準的情況下,已漸有取代進口IC的氣勢,未來市場發展潛力仍相當看好。再者,國內專業晶圓代工廠對類比製程技術和資源投入漸多,對國內類比IC設計業者無疑是一大助力,現階段國內電源管理IC佔全球市場比重雖不及1%,但未來將有不少的發揮空間!


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