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全球电源管理IC市场发展现况与趋势
 

【作者: 郭秋鈴】2003年10月05日 星期日

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随着半导体终端产品朝向轻薄短小、数位化和整合多功能三大趋势发展下,无论在影音讯号的输入与输出、电子产品电源供应、管理或是通讯信号的传输与媒介,类比讯号的处理已成为不可或缺的要角,90年代中后期类比技术势力更是快速掘起。


在高度数位化趋势下,数位IC技术在制程微缩后对于电压的变化、电流容忍和保护日益重要,不同的IC需要不同的供应电压,因而促成更多电源管理IC需求的兴起;不仅如此,终端产品如手机由于整合的功能愈多,随之而来的电力需求和电池寿命长也成必备要素,因此占类比IC市场比重约两成比重的电源管理IC便成为半导体业者争相竞逐的主战场。


全球类比IC市场简介

类比IC包括标准类比IC (Standard Linear)和特殊应用标准类比IC (Application Specific Analog)两大类,涵盖范围相当广泛。再就细项区分,标准类比IC 涵盖放大器(Amplifier)、电压调整/电压参考(Voltage Regulators/References)、讯号界面(Interface)、资料转换器(Data Conversion)和比较器(Comparators)五大类;至于特殊应用标准类比IC则包括电脑及周边、消费性、电信、汽车以及工业用/其他共五类。


由于类比IC应用普及,其技术的建立需要长时间累积,再加上类比IC无法像数位IC一样有大量的电子设计自动化(EDA)工具和IP可重复使用,所以类比IC的设计相当需要经验的累积,新进业者不易在短期跨入造成杀价竞争,因而类比IC价格不易大起大落。例如2003年上半年类比IC平均售价为0.57美元,与2002年的平均售价(0.59美元)几乎无差异,即使与景气高点2000年(平均售价0.74美元)相比差距亦属有限;不仅如此,类比IC市场成长性亦相对其他记忆体、逻辑和微元件等半导体元件稳定许多,WSTS(World Semiconductor Trade Statistics)估计,2002年至2006年类比IC市场年复合成长率预估将达10.5 %,占全球半导体市场比重约在16%~17%之间。以2003年的市场来看,WSTS统计2003年上半年全球类比IC市场规模为125.5亿美元,全年预估将达 260亿美元,较前一年成长8.8%。



《图一 1998年至2003年全球模拟IC市场规模》
《图一 1998年至2003年全球模拟IC市场规模》

全球电源管理IC市场及业者概况

电源管理IC简介

电源管理可简单定义成:电源管理为控制一个系统中电压和电流随时间变化的状况,一个好的电源管理必须能提供足够的电力供系统正常运作,且能充分发挥系统之功能和符合成本效益。


电源管理可约略分为可携式系统(Portable System)、稳定系统(Stable System)、动态系统(Dynamic System)和自动化系统(Automatic System)等四大类应用市场,关于上述应用之特点和代表性产品请参照(表一)。其中手机、主机板、笔记型电脑、数位相机和LCD显示器等可说是广为看好的电源管理应用市场。再就电源管理半导体市场规模来看,电源管理IC和功率分离式元件(Power Discretes)各占三成五和六成五的市场比重,2003年电源管理IC市场规模约略在50亿至60亿美元之间,本文以下将以电源管理IC为讨论重点。


(表一) 电源管理四大主要应用范围
种类 Portable System Stable System Dynamic System Automatic System
特点 长时期使用 较低的接取费用& 稳定品质

兼具效能与成本效益

便利性
代表应用产品 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


尽管SoC(系统单晶片)设计概念日益普及,但市面上号称SoC晶片者却因制程、成本和效能之故,使SoC晶片中仍未将电源管理功能整合在内,因此,外加的电源管理IC便得负起启动(Power)和保护(Protect)上述敏感甚至昂贵SoC晶片的任务。尤其,强调运算速度的微处理器至今已堂堂迈入GHz等级,更需要更多的电源管理IC辅助散热和电源管理功能,Intel于2003年三月推出之Centrino行动运算平台标榜不仅是内建Wi -Fi无线通讯模组,省电功能和更长的电池寿命更是诉求重点,因此电源管理IC之重要性更可见一斑。


电源管理IC分类

电源管理IC可粗分为电压调整/参考(Voltage Regular/Reference)、电池充电/量测(Battery Charging/Measurement)、热插拔(Hot Swap/Plug)、电压监控(Voltage Supervisor/Monitors)和电源管理单元(Power management unit)等几大类,其中电压调整/参考电源管理IC还包括线性调整器(Linear Regulator)、交换式调整器(Switching Regulator)、交流电压产品(AC Voltage Product)、交换式电容充放器(Switched Capacitor Charge Pumps)和电压参考(Voltage Reference)等次类别。(图二)为市场调查机构Gartner Dataquest 在2001年针对电源管理IC设计数目所作成之各类产品分布比重;交换式电压调整器(24.9%)、线性调整器(17.2%)和电压监控器IC (12.8%)依序为占比重最高的前三大产品,由此亦可看出电压调整/参考器在电源管理IC所占比重之高!



《图二 电源管理IC次类别占2001年度设计数量之比重》
《图二 电源管理IC次类别占2001年度设计数量之比重》

主要电源管理IC业者

近年来多家半导体业者争相进入电源管理等类比IC领域的理由不外乎:类比市场成长稳定、不似其他产品大起大落、以及资本市场对于专擅类比IC业者如Linear和Maxim高产品毛利率给予正面评价等理由;除此之外,类比IC技术应用范围广泛,更可与公司既有之核心技术结合产生综效也是重要考量因素,最具代表性的例子莫过于美商TI结合其在DSP技术和电源管理IC技术,至今成功地在手机晶片组和电源管理IC打下江山。


以电源管理IC公司数量的区域分布来看,美国公司以七成比例位居第一,其次为两成比例的日本公司,亚太和欧洲公司各占一成比重。再就电源管理IC公司的性质区分,七成为自有晶圆厂的整合元件制造商(IDM),仅有三成属于IC设计公司,美国、日本和欧洲类比IC业者多属于自有晶圆厂的IDM,至于iWatt、Linear Dimension、O2Micro和Volterra这类IC设计公司在国外仍属少数;而台湾业者则绝大多数为IC设计公司,采取和晶圆代工厂合作模式取得竞争利基;参考(表二)。


(表二) 全球代表性电源管理IC业者区域分布情形 *代表IC设计公司
区域业者 美国 日本 欧洲 亚太
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      

全球前十大电压调整/参考IC业者

电压调整/参考IC占电源管理IC市场比重高达五成,可说是相当具代表性的产品。 (表三)列出全球前十大电压调整/参考IC业者,美国业者独占鳌头在前十大名单中即囊括八名,前三大业者分别为TI、Fairchild和NS。再就各区域业者占有率来看,美国业者以七成市场占有率领先群伦,日本业者以22%比例排行第二,欧洲(5.6%)和亚太业者(1.1%)则各居第三和第四名。


再就电压调整/参考IC的市场分布来看,亚太、日本、美国和欧洲依序为前四大分布市场,其中,亚太地区由于位居全球重要资讯、通讯和消费性电子产品系统厂商所在地,因而对电源管理IC的需求量也最大。综观电压调整/参考IC除了在资讯用主机板攻城掠地外,通讯(手机、WLAN)和数位消费性产品(DVD Player、数位相机)的成长性亦相当被看好。


(表三) 2002年全球前十大电压调整/参考IC业者及各区域业者市占率
排名 公司 2002年营收($M) 2001年营收($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
美国公司合计 2,241 2,157 71.4
日本公司合计 688 579 21.9
欧洲公司合计 176 197 5.6
亚太公司合计 34 32 1.1

台湾电源管理IC设计业者

国内电源管理IC之应用市场可分为主机板CPU的电源管理、电源供应器所需之Pulse Width Modulator(属于Switching Regulator)和可携式产品三大应用领域,每年台湾类比IC市场规模约30亿美元。不过,我国因为以往在类比IC领域着墨不多,因此九成以上类比IC均仰赖进口。


现阶段国内标榜专注类比IC设计之公司家数仅占国内设计业总数约一成比重,就产值而言,2002年类比IC产值仅占我国设计业总产值的4.7%,足见国内国内投入类比IC设计的资源相当有限,类比IC势力远不及数位IC势力。尽管如此,由于台湾为主机板、笔记型电脑、数位相机和LCD监视器等主要系统厂商所在地,因此电源管理IC可说是国内类比IC设计公司投入的主力产品,属于电源管理IC的电压调整/参考IC营业额以46.5%占最大宗。


国内从事类比IC设计的前三大业者依序为立锜、茂达和沛亨,上述公司营业额在6.6亿至11亿台币不等,立锜是第一家营业额超过10亿台币的类比IC设计公司,而上述业者亦是国内电源管理IC的领先厂商,与外商TI、Fairchild和Intersil等同台竞逐。(图三)为我国类比IC设计业者营收和成立时间概况,1992年沛亨是国内第一家成立的类比IC设计公司,1997年以后国内类比IC设计业家数才快速成长,这些类比设计公司的资本额均在数千万至4亿多台币之间,2002年营收大于3亿元的厂商就超过八家。



《图三 台湾模拟IC设计公司概览》
《图三 台湾模拟IC设计公司概览》

电源管理IC未来发展趋势

设计趋势

综观类比IC对品质要求不外乎速度(Speed​​)、精准(Precision)、功率消耗(Power consumption)、电压控制能力(Voltage capability)、电流控制能力(Current capability)、可靠度(Reliability)和稳定度(Stability) 等七个评估指标,因此,有鉴于低电压、低耗电量和更长的电池寿命等可携式产品应用需求兴起,电源管理等类比IC必须符合高转换效率、省电和避免过热的问题,因此电源管理势将朝向更低的混合电压系统、低耗电量和支援许多USB 2.0等新兴标准规格设计方向进行,而更小的封装体积和功率消耗需符合环保(或称绿色能源)需求亦为未来发展趋势。


此外,虽然整合类比和数位电路的SoC设计概念日益普及,但市面上号称SoC晶片却因数位、类比制程整合不易、成本过高和效能不若预期,因而形成高整合度和高效能间的两难,因此部分类比电路如电源管理IC在短期内并不适合作整合,仍将持续独立于SoC晶片之外。


制程趋势

电源管理等类比电路的元件特性属于连续之操作区间,在动态响应(动态电压回转率)、更低的混合电压系统、低耗电技术发展方面要求相当严格,因此,深厚的类比IC设计功力、稳定的制程参数和各种类比制程研发经验是类比IC公司必备的要件。类比IC具备生命周期长的特性,现阶段仍集中在5、6吋厂生产,尤以6吋厂为最大宗,制程水准自1.0至0.4微米制程不等,采用制程种类包括Bipolar(双极性电晶体)、BiCMOS和CMO​​S等,以满足电源管理IC对不同电流和电压的需求。


类比IC最传统的制程当属Bipolar,1980年代以来类比CMOS制程技术快速进展,适用于低电压之类比IC应用以及成本优势,再加上CMOS晶圆厂产能远较Bipolar为充沛等因素使然,原本采用Bipolar制程的电源管理IC渐转向采用CMOS制程,例如台积电的6吋晶圆厂以CMOS制程生产电源管理IC已获得相当成效。尽管采用CMOS制程不免在效能和杂讯方面有疑虑,但随着CMOS制程长足进步和成本效益大的诱因下,除了一些高性能、高频类比元件仍需采用BiCMOS或SiGe BiCMOS(结合SiGe HBT与CMOS制程而成)制程外,电源管理等类比IC采用CMOS制程制造已是大势所趋。


整合并购趋势

类比IC市场特性包括成长稳定但技术变化并不大,尤其类比IC人才有限,而多家公司却又同步投入市场角逐的情况下,强弱相争使得业界洗牌或并购案层出不穷。 2002年类比IC业界仍有多起整合并购案,举凡微控制器大厂Microchip 并购PowerSmart、Fairchild 并购Signal Processing Technologies和Intersil并入Elantec等,均是业者为增加产品线纵深和扩展市场占有率的例证。


结语

随着电子产品高度数位化和轻薄短小、省电观念大行其道,电源管理相关类比IC市场发展潜力已广为外界看好。2000年以来,国内前两大纯类比IC设计业者在营收和获利均有不错的成果,连带使得国内资本市场对类比IC设计的关爱程度与日渐增,簇拥不少新兴类比IC设计公司争相设立,俨然形成一股新兴势力!然而,类比IC技术门槛高,「后进」的台湾类比IC设计业者切入此市场就得面临好手如云的情况,包括TI、Maxim、Linear、Fairchild和Intersil等老牌半导体业者都已在类比领域耕耘多年,因此台湾类比IC设计业者仍得面临不小的挑战。


首先,类比IC设计人才的取得充足与否,将国内类比IC设计业能否展翅高飞的最大罩门。类比IC设计因为需精通半导体元件物理、制程和电路设计因而技术门槛较高,再加上电子设计自动化(EDA)工具在类比IC设计所能扮演的角色相当有限,所以类比IC的设计相当需要经验的累积,类比人才养成相当不易。无疑地,以国内情况来看,优良的类比IC设计人才仍将流入联发、瑞昱等以混频技术见长的公司,其次才是前几大纯类比IC设计公司,因此国内欲提升类比IC设计水准,除了学、研界加强类比IC专才的培养外,延揽美国矽谷近期因不景气释出的类比IC设计人才,将也有助于缩短与国外类比IC设计技术的差距!


其次,国内业者多半投入于标准型类比IC产品,由于同质性高的类比IC设计业者投入易流于成本竞争,业者若不想沦为标准型类比产品之电源管理IC杀价竞争之一员,必须持续加快往技术进入障碍较高的可携式产品电源管理IC领域才行,比品质、服务、效能、交期、系统Know-how和成本优势更是缺一不可!


尽管前有技术和人才的挑战,但整体而言,台湾在电源管理IC市场应有不错的发展机会。国内类比IC设计业者因为地近资讯、通讯和消费性电子制造和代工系统业者,透过完善的技术支援和厂商在产品设计和系统端频繁互动等方式,在成本、效能和稳定度已达水准的情况下,已渐有取代进口IC的气势,未来市场发展潜力仍相当看好。再者,国内专业晶圆代工厂对类比制程技术和资源投入渐多,对国内类比IC设计业者无疑是一大助力,现阶段国内电源管理IC占全球市场比重虽不及1%,但未来将有不少的发挥空间!


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