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纳芯微—隔离芯片领域的龙头（下）

作者：可爱如我
2022-06-26 23:35:59
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四、纳芯微的业务介绍

纳芯微的业务主要是传感器业务及隔离芯片业务。其中，传感器业务有分为传感器调理芯片业务、集成式传感器芯片；隔离芯片业务分为隔离电源、隔离接口、隔离驱动、隔离采样。如下图，传感器业务就是左侧的号感知模块，隔离业务是右侧系统互联和功率驱动模块。

（一）传感器业务

传感器敏感元件是可以测量某种类型的物理量，如压力、声音、温度、磁场、光强等，并把这些物理量转化为电号的一种器件。但由于传感器敏感元件的输出一般是相当微弱，并且掺杂了很多环境中的干扰息，无法被电子设备直接使用，因此需要号调理芯片对该输出号进行放大和模数转换。传感器调理芯片的原理如下图

下图是典型的压力传感器元件在不同温度下的输出号，右图为通过传感器调理芯片输出后的号，可以看到调理号实现了不同温度下压力号的一致性。

集成式传感器业务是调理芯片业务延伸，公司在制造调理芯片的基础上继续向前端扩展，将前端的传感器感应元件和调理芯片集成到一起并进行封装。

（二）隔离业务

隔离器件是将输入号进行转换并输出，以实现输入、输出两端电气隔离的一种安规器件。电气隔离能够保证强电电路和弱电电路之间号传输的安全性，如果没有进行电气隔离，一旦发生故障，强电电路的电流将直接流到弱电电路，可能对人员安全造成伤害，或者对电路及设备造成损害。另外电气隔离可以阻断共模、浪涌等干扰号的船传播，让电子系统具有更高的安全性和可靠性。一般来说，只要涉及到高电压（强电）和低电压（弱电）之间的号传输的设备大都需要进行电气隔离。

1、隔离电源

隔离电源的输入回路和输出回路之间没有直接的电气连接，输入和输出之间是绝缘的高阻态，没有电路回流。

而非隔离电源在输入和输出之间有直接的电路回流，例如输入和输出之间是共地的。上图是隔离的反激电路，下图是非隔离的BUCK电路。

公司电源隔离芯片的基础上还开发了将电源隔离电路和号隔离电路集成在单颗芯片的新型数字隔离芯片，能够同时实现电源隔离和号隔离，具有高集成度、低成本、小型化等优势。

2、隔离接口

隔离接口即数字隔离器+接口芯片组合，多应用于高压领域（48V）。接口芯片是基于通用和特定协议具有通讯功能的芯片，广泛应用于电子系统之间的号传输，可提高系统性能和可靠性。目前市场上30%的接口芯片为隔离型。常见的借口为I2C、RS-485、CAN等不同标准。其中RS-485广泛应用于工业领域，I2C及CAN接口多用于汽车领域。以新能源车为例，隔离接口广泛应用于主驱、空压机、OBC、BMS、加热器等领域，单车用量近100元。

3、隔离驱动

隔离驱动即数字隔离器+驱动芯片的组合。在说明隔离驱动之前，需要先说明什么是“驱动”。驱动一般指栅极驱动器简称栅驱，栅驱能够放大控制芯片MCU的逻辑号并驱动MOSFET、IGBT、SiC、GaN等功率器件，包括放大电压幅度、增强电流输出能力，以及快速开启和关断功率器件。例如，通过选用更好的驱动器可以让器件开关速度更快（斜坡的时间跨度），进而让器件开关损耗（下部的阴影面积）变小。

在电源与充电桩等高功率应用中，通常需要专用驱动器来驱动最后一级的功率晶体管。给功率管增加驱动的方式有两种，一种是非隔离驱动，一种是隔离驱动。传统驱动有很多限制。①非隔离驱动模块整体都在同一块硅片上，因此耐压无法超出硅工艺极限，大多数非隔离驱动器的工作电压都不超过700V。②非隔离驱动耐负压能力较弱，所以如果采用非隔离驱动，应特别注意两管之间电路设计。③非隔离驱动与控制芯片共地，不够灵活，无法满足现在许多复杂的拓扑电路要求。

相比非隔离驱动，隔离驱动有很多优势。隔离驱动内部，有两块或者更多的硅片，硅片之间通过绝缘材料隔离，而控制号通过电容型或电磁型方式穿过隔离层来传递，从而让输入与输出处于不同硅片上，这种隔离方式能绕过硅工艺极限，可以满足高耐压需求，隔离驱动可以承受10kv以上的浪涌电压。

隔离产品中隔离驱动开发难度是最高的。使用MOSFET/IGBT等功率器件的高压场景往往会使用隔离驱动，通常1颗MOSFET/IGBT搭载一颗隔离驱动。由于与MOSFET/IGBT密切相关，因此隔离驱动开发时往往需要与MOSFET/IGBT厂商共同定义，具备MOSFET/IGBT研发能力的厂商隔离驱动能力较强。国产隔离厂商有望与MOSFET/IGBT形成紧密合作关系。

4、隔离采样芯片

隔离采样也称为隔离运放及数字隔离器与运算放大器的组合。隔离采样包括隔离ADC、隔离电路放大器、隔离电压放大器等。在工业和汽车应用的电压电流检测中，通常采用基于霍尔的电流传感器（电流在磁场产生电压）和基于分流器的采样两种方案（）。

分流电阻实际上就是一个电阻非常小的电阻，精度高、温漂小，当电流流过分流器的时候，可以通过测量两端的压降计算出电流的大小。但是使用分流电阻采样也具有不足之处一个是热损耗非常高，以500A为例，发热功率高达25W。对于一般的电路板而言，25W集中一小块电路板上对散热的设计非常严苛，因此设计的时候对散热问题不可忽视。由于放大、采集、号处理的电路直接跟高压总线连接，因此低压供电和CAN号的传输都需要通过隔离器件进行隔离。

霍尔传感器一般有3个引脚，分别连接电源的正极和负极以及一个电压输出管脚。以下是霍尔传感器的基本原理及采集电路设计简图。

霍尔传感器的输出往往跟输入呈线性关系，所以只要电压能够采集准确，电流也能够计算出来。但是在实际应用中，输入输出并不是严格的线性比例关系，并且在电流0点可能也会存在有电压的情况。因此实际工程应用中，都需要对传感器进行标定。

前者（霍尔元件）具有天然的隔离特性，而后者（分流器采样）需要增加隔离运放放大器或调制器来进行电气隔离。相较而言，基于分流器加隔离运放/调制器的采访方案具有更高精度和更低的非线性度，同时失调电压和失调电压温漂低，且不易受到外部磁场的干扰。采样芯片正想着更高宽带、更快响应、精密度更好的方向发展，以实现更加精确的控制。

（三）关于纳芯微业务的总体说明

纳芯微的传感器产品、隔离产品中涉及到电源管理、数模转换、号接口等多种芯片，纳芯微更多的是专注于隔离芯片，其他的部分涉及并不是很多，可能外采IP吧（猜测），理由如下

纳芯微只有两款ADC产品，而且还只是2款低速高精度ADC。

纳芯微有一些电源管理芯片业务，但不是纳芯微的特色业务，此处就不赘述了。

五、行业分析

（一）传感器行业

根据赛迪顾问对中国传感器行业市场规模的测算，2016-2019年，中国智能传感器行业市场规模CAGR约为16.4%，随着我国3C电子、新能源汽车等领域对传感器需求的愈加旺盛和未来下游市场的高速发展，前瞻产业研究院预计未来五年传感器制造行业CAGR将达到19%，预计2026年中国传感器行业市场规模将达到7082亿元。

根据赛迪顾问的数据，从细分领域来看，射频MEMS以25.9%的比例成为2019年最广泛应用的MEMS产品，MEMS压力床干起占比19.2%，位居第二，排名三至四位分别是IMU惯性传感器、MEMS麦克风传感器，市场占比分别为8.9%和7.1%。

根据Markets and Markets的相关数据，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9.8%。传感器芯片调理ASIC芯片作为传感器的关键号处理单元，其号规模也将随着工业自动化的发展而进一步扩大。

车用传感器方面，目前一辆汽车上安装有超过50个MEMS传感器，其中应用较多的是加速度、压力传感器及陀螺仪等传感器。汽车对传感器的需求日益提升，促进了额传感器及其号调理ASIC芯片市场规模的增长。目前国内汽车行业中车用芯片自研率低于10%，汽车核心芯片国产化需求较为迫切。

（二）隔离芯片应用的行业

欧美半导体公司在数字隔离芯片领域起步较早，并在长期以来占据了市场的主导地位。根据统计数据，2020年TI、Silicon Labs、ADI、Broadcom、Infeneon占全球数字隔离芯片市场规模的40-50%，剩余市场主要被NVE公司、ROHM公司、MAXIM公司、Vicor公司、ON公司占据。

隔离芯片用到的场景很多，基本只要涉及到高低压、功率驱动等场景都需要隔离芯片，例如息通讯、电力自动化、工厂自动化、工业测量、汽车车体通讯、仪器仪表等。带隔离驱动的电机在工业领域使用增加、工业物联网对隔离接口的需求、汽车电气对安规需求提升等因素，进一步促进了数字隔离类芯片市场的发展。2020年隔离芯片在工业上应用最多，占比高达28%，其次是汽车电子行业，占比达16.84%，通领域位居第三，占比达14.11%。估计2026年工业、汽车、通中隔离芯片市场占比分别为28.80%、16.8%、14.3%。

1、在汽车电子领域的应用

新能源车的电气化成都更高，隔离芯片也更多应用于新能车高功率电子设备中，包括车载充电器、电池管理系统、DCDC转化器、电机控制驱动逆变器、CAN;LIN总线通等汽车电子系统，成为新型电子传动系统和电池系统的关键组件。

以电机驱动为例，电控单元（ECU）和电机控制器之间的CAN通讯需要隔离芯片，功率管和控制器之间需要隔离的栅极驱动器，栅极驱动的电流采样需要隔离ADC/隔离运放。

除了对隔离芯片数量需求的提升，新能源车还提升了对隔离技术的要求。电池功率密度提高带来了电池工作电压的提高，纯电汽车或各种形式的混合动力电动汽车的高压电池可达200V—400V，同时具有较高的运行温度，这要求数字隔离芯片具有高耐压特性以及满足车规级温度要求。目前我国新能车渗透率不高、芯片国产华率不高，未来可期。

2、工业领域

在未来工业场景，人机交互情形会随着机器设备的增长而增多，而工业用电为220V至380V交流电，远超人体的安全电压36V。为了保障生产人员人身安全，必须对高低压之间的号传输进行隔离以保护操作人员免受电机，该隔离需求设计人机交互的各个节点。具体来说，工业自动系统有多个PLC/DCS节点，每个节点控制一至多个变送器、机械手、变频器、伺服等设备，出于安全需要，上述设备对数字隔离芯片均有需求。（PLC可编程逻辑控制器，主要是用来控制工业场景下生产的过程，每个PLC有3个过程组成，分别是输入、MCU、输出。DCS与之类似。）

除了保护生产人员外，数字隔离芯片还用于保护模块和隔离噪声号。工厂自动化中不同模块的电压不同，入PLC工作号和通传输电压都是24V，而系统核心电子元件基本都是5V，此时需要数字隔离芯片保护低压区域的器件安全。工业4.0对数控机床的精密控制也退出了更高的要求，这需要数字隔离芯片来提高系统的抗噪声能力，即通过隔离消除早上干扰；同样需要数字隔离芯片消除早上干扰的是电机驱动，由于控制板和马达举例往往会很远，需要较长通电缆连接，电缆会和参考电平地线形成回路，从而带来噪音，需要通过隔离切断地线回路，从而消除噪声干扰。

3、通领域

在通行业，公司的数字隔离芯片主要应用于通进展及其配套设施的电源模块，此外5G其他产业链也将推动隔离类产品需求量的增长，入云服务带来服务器数量增长的同事，也带动了服务器中隔离器件的增长。