2022年模拟芯片专题分析 隔离芯片，保障电路安全的模拟细分品类

概览：隔离芯片，保障电路安全的模拟细分品类

行业简介：电路安全保障的关键料号

隔离芯片是保障电路安全的模拟芯片。隔离芯片属于模拟芯片，是信号链领域的细分 产品门类，在电气隔离状态下实现信号的耦合传输。如下图所示，数据信号可以在 AB 两 个区域之间进行传输，同时避免电流在 AB 两个区域之间流通，确保没有实际的电气连接。 在工业、通信、新能源等复杂应用场景下，一个综合的电子系统有众多不同电压等级的子 系统，各子系统数据传输时会产生串扰，且高电压也会导致电路安全问题，因此需要通过 隔离芯片来实现电气隔离并保证信号传输的准确、稳定、可靠。具体来说，隔离芯片在电 子系统里可实现三类功能：1）安全防护：提升高压电路的安全性，保护电子控制设备和 操作人员安全；2）信息传输：在具有相对较高的电位差的子电路系统之间进行有效通信， 即保障强电电路和弱电电路之间信号传输的安全性；3）抗干扰：去除两个电路之间的接 地环路，阻断共模、浪涌等干扰信号的传播，防止电气噪声破坏敏感信号，从提升电磁兼 容性。

隔离芯片广泛应用于电动车、工业等中高压场景，在客户端属于与安全相关的重要料号，安规认证是关键。一般来说，涉及到 1）高电压（强电）和低电压（弱电）之间信号 传输，或者 2）AC-DC 或中高电压 DC-DC 电源转换的设备大都需要进行电气隔离并通过 安规认证，因此隔离芯片广泛应用于信息通讯、电力电表、工业控制、新能源汽车等各个 领域。此外，由于隔离芯片是保障电路安全的关键芯片，下游客户采购隔离芯片时对其可 靠性的重视程度较高：业内对数字隔离类芯片存在相关的产品认证制度，不同领域所需的 安规认证种类较多，进行安规认证时对产品性能要求高且认证时间较长，取得全球各国、 各行业、各目标市场所认可的安规认证已成为隔离芯片行业主要壁垒之一。因此在电动车、 工业等客户领域，模拟芯片厂商可以将隔离芯片作为切入中高端应用场景的“突破口”， 强化客户粘性和认可，有助于继续导入其他模拟芯片，打开后续成长空间。

隔离芯片性能评价指标包括传输速率&时延、CMTI、ESD 防护等。作为一种安规器 件，隔离芯片主要在通讯、工业、汽车等场景下的高压环境中工作，其性能指标主要体现 其在恶劣的环境下的稳定性。目前业内评价隔离芯片产品的通用指标包括： 1）信号传输速率&时延：传输速率代表数字隔离器能够准确传输的信号速率、传输时 延代表信号输入到输出的时间； 2）CMTI（共模瞬态抗干扰能力）：在隔离系统中隔离两端由于经常发生高压共模信 号跳变，可能造成隔离器件的信号传输误码，CMTI 将直接影响系统的稳定性，因此是衡 量隔离性能的核心指标之一； 3）ESD 防护：由于静电会对电子系统造成严重危害，可以在不经意间将电子器件击 穿，而隔离器件往往处于系统的接口处或导电的关键路径，因此 ESD 防护（静电防护） 能力也成为衡量隔离性能的核心指标之一； 4）隔离耐压：是美国 UL 安全试验（美国最权威的安全试验和鉴定的机构）所进行安规试验的主要认证项目之一，该指标是对隔离器件的整体耐压性能的衡量； 5）浪涌抗扰度：由于在电力系统开关瞬间或雷击发生的瞬间产生的电压将远远超过 工作电压，需要有隔离器件抵御高电压传输时产生的浪涌，因此浪涌抗扰度也是核心指标 之一。

技术路线：光耦/磁耦/容耦三种技术并存，容耦占比逐步提升

隔离芯片目前已形成光耦隔离、磁耦隔离、容耦隔离三种技术路径。根据生产工艺、 电气结构和信号传输原理不同，隔离可以通过光学、电感或电容耦合技术实现。根据实现 原理不同，隔离器件可以分为光电耦合隔离器（简称“光耦”）和数字隔离芯片两种，其 中数字隔离基于 CMOS 工艺为电子系统中数字和模拟信号的传递提供电阻隔离特性，根 据耦合元件不同又分为磁感耦合隔离芯片（简称“磁耦”）、电容耦合隔离芯片（简称“容 耦”）和巨磁阻隔离等类型，因巨磁阻隔离应用相对较少，本文主要讨论光耦、磁耦与容 耦。

——光耦：基于光电效应实现信号传输。光耦的物理基础是光电效应：光耦隔离器是 将发光器（基于 GaAs 的 LED 器件）与光接收器（光敏三极管）封装在同一管壳内，当输 入端加电信号时发光器发出光线，光接收器接受光线之后就产生光电流，在运算放大器放 大后从输出端流出，这就实现了“电—光—电”转换，从而实现了两个端口间的信息传输。 光耦是上世纪 70 年代发展起来的隔离器件，直至 1990 年代后期，光耦都是市场上唯一 的解决方案，其代表厂商是安华高（已被博通收购）。光耦的优点在于 1）方案成熟并久经 市场考验，2）抗干扰能力强；缺点在于 1）一般数据传输速率较低，在高速场景下使用难 度大，2）功耗较高，3）由于光衰问题的存在，器件的性能表现会随着使用时间增加而降 低，4）由于 LED 物理尺寸的限制，光耦隔离器的体积难以减小，5）隔离等级相对受限。

——磁耦：基于电磁感应定律实现信号传输。磁耦的物理基础是电磁感应定律：磁耦 数字隔离芯片内部结构包含变压器，当输入端的加电信号会引起电流变化，由于电磁感应 定律，变压器线圈的另一端也会产生相应的电流变化生成电信号，从而完成两个端口间的 信息传输。磁耦技术主要基于 CMOS 工艺，2007 年由 ADI 率先推出，其代表厂商包括 ADI、英飞凌。磁耦的优点在于 1）传输速率高，2）由于采用 CMOS 工艺，在集成度、 功耗、体积等方面均优于光耦；缺点是 1）易受外部磁场干扰，其辐射以及抗辐射性能相 对较差，2）生产时需在 CMOS 工艺基础上增加两道工序，成本相对较高。

——容耦：通过电容两块极板之间的电场变化来实现信息传输。容耦数字隔离芯片是 基于 CMOS 工艺串联两颗电容器在一颗芯片，并通过高频信号调制解调（如 ook 调制技 术）将输入信号通过电容隔离之后传输出去，即通过电容的两块极板之间电场变化来传递 信息。容耦技术是 Silicon Labs 在 2009 年于业内首发，代表厂商包括 TI、Silicon Labs， 国内纳芯微、川土微、荣湃等厂商均采用容耦技术路线。容耦的优点包括 1）抗干扰能力 强：容耦绝缘层的填充材料是二氧化硅，具有很稳定的可靠性和耐用性以及抗磁干扰能力 和抗瞬态电压能力，优于光耦和磁耦采用的聚酰亚胺材料，2）同样采用 CMOS 工艺，在 集成度、功耗、体积等方面均优于光耦，3）与磁耦相比，容耦不需要晶圆的二次加工， 其成本相对较低；缺点在于防静电能力需要专门进行优化。

目前数字隔离替代光耦的趋势明确，其中容耦技术逐步成为主流发展方向。与传统的 光耦相比，数字隔离芯片基于 CMOS 工艺，是更新一代、尺寸更小、速度更快、功耗更 低、温度范围更广的隔离器件，并且拥有更高的可靠性和更长的寿命，是目前产业发展方向，目前正逐步替代光耦。在数字隔离器的几种方案中，容耦在抗干扰、成本等方面优于 磁耦，在下游市场端渗透更快，目前国内新进入者也纷纷选择容耦作为主要发展方向：根 据我们进行的产业调研，目前容耦技术在隔离芯片领域的渗透率已接近 20%，其中在白电、 电表等领域渗透较快，在汽车、光伏、工业等非价格敏感领域渗透也逐步开始加速，我们 看好容耦技术未来在隔离产品领域的渗透率持续快速提升。

产品延展：数字隔离器为基础，“隔离+”构成丰富产品矩阵

隔离芯片包括标准数字隔离器、隔离接口、隔离驱动、隔离采样、隔离电源五大品类。 标准数字隔离器是隔离芯片产品最简单的产品形态，只负责实现电气隔离与信号传输，而 将标准数字隔离器与不同模拟芯片集成的方式可以进一步丰富隔离芯片的产品形态并拓 展其应用场景，目前已形成隔离接口、隔离驱动、隔离采样、隔离电源等丰富的“隔离+” 产品矩阵，其中:

——隔离接口：隔离+接口芯片。接口芯片是基于通用和特定协议且具有通信功能的 芯片，广泛应用于电子系统之间的信号传输，可提高系统性能和可靠性。常用接口按照协 议可划分为 I2C、CAN、LIN、RS-485、RS-232 等系列，其中 I2C、CAN、LIN 在车载电 子中应用广泛。将接口芯片与标准数字隔离器集成为隔离接口芯片产品，能够在具备通信 功能的同时实现电气隔离，从而提升接口芯片产品的安全保障。

——隔离驱动：隔离+栅极驱动芯片。栅极驱动芯片是驱动 IC 的一个细分品类，主要 用来驱动 MOSFET、IGBT、SiC、GaN 等功率器件的芯片，能够放大控制芯片（MCU） 的逻辑信号，包括放大电压幅度、增强电流输出能力，以实现快速开启和关断功率器件。 将栅极驱动与标准数字隔离器集成为隔离驱动芯片产品，能够在驱动功率器件的同时，提 供原副边电气隔离功能；此外，相较于非隔离驱动在耐压能力方面的局限性（工作电压不 超过 700V），隔离驱动可以更好地满足高耐压需求，承受 10kV 以上的浪涌电压，已成为 高功率应用中的首选。此外，隔离驱动开发需适配功率器件厂商，因而开发难度较高。

——隔离采样：隔离+运放/ADC。隔离采样包括各类隔离运算放大器和隔离 ADC，可 在实现电气隔离的同时，完成对电压/电流等信号的采样或模数转换。

——隔离电源：隔离+电源管理芯片。隔离电源是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，没有电流回路。隔离电源能够实现 作业人员安全，使各模块供电独立、可靠及稳定。

空间：全球超 150 亿元市场，新能源驱动快速成长

下游应用广泛，全球市场空间超 150 亿元

隔离芯片广泛应用工业/汽车/新能源发电等领域，全球空间超 150 亿元。隔离芯片由 于其在电路安全方面的重要作用，被广泛应用于汽车电动化、新能源发电、信息通讯、电 力自动化、工业自动化、仪器仪表和航天航空等诸多领域，基本上只要涉及高电压（强电） 和低电压（弱电）的系统都需要应用隔离芯片来保障电路安全。根据 Omdia 数据，2020 年全球隔离芯片市场空间约 20~25 亿美元（对应接近 150 亿人民币），其中数字隔离器占比已超过 20%。根据 Markets and Markets 的数据，2020 年全球数字隔离类芯片在工业 领域上使用最多（28.58%），其次是汽车电子行业（16.84%），通信领域位居第三（14.11%）。 展望未来，电动车、新能源发电以及其他泛工业场景有望持续扩张，拉动隔离芯片市场保 持较快增长；其中数字隔离器（尤其是容耦产品）随着产品性能持续优化、客户接受度不 断提升，在整体隔离芯片市场的占比也有望持续提升。下文，我们将对隔离芯片两大重要 增量市场（电动车、光伏）的情况进行详细分析。

汽车：电动化驱动隔离芯片需求，我们测算单车价值量 300~400 元

汽车电动化趋势催生多种类隔离芯片需求，单车价值量约 300~400 元。与传统燃油 车相比，新能源汽车的电气化程度更高。出于安规和设备保护的需求，隔离芯片也更多地 应用于新能源汽车高瓦数功率电子设备中，包括车载充电器（OBC）、电池管理系统（BMS）、 DC/DC 转换器、电机控制驱动逆变器、CAN/LIN 总线通讯等汽电子系统，隔离芯片已成 为新型电子传动系统和电池系统的关键组件。因此，在汽车电动化的过程中，新增大量对 隔离芯片产品的需求。以电机驱动为例，电控单元（ECU）和电机控制器之间的 CAN 通 讯需要隔离接口，功率管和控制器之间需要隔离驱动，电机驱动的电流采样需要隔离采样 （隔离 ADC&隔离运放）。根据我们进行的产业调研，电动车平均需要使用 50~100 颗隔离芯片（含标准数字隔离器以及各类隔离+产品），我们测算单车价值量约 300~400 元。展 望未来，随着高端车型占比提升，隔离芯片的单车价值量仍有进一步提升空间。

数字隔离器在电动车应用场景下的占比也有望持续提升。除了对隔离芯片数量需求的 提升，新能源汽车还提升了对隔离技术的要求。电池功率密度的提高带来了电池工作电压 的提高，纯电汽车（EV）或各种形式的混合动力电动汽车（HEV）的高压电池可达到 200~400V，同时具有较高的运行温度，这要求隔离芯片具有高耐压的特性以及满足车规 级温度要求，传统的光耦已经不能应对在高温环境下工作的需要，因此数字隔离器的渗透 率正加速提升（尤其是容耦产品）；此外，汽车内部设计简单化发展要求数字隔离芯片具 有高集成度，集成了接口、驱动、采样等功能的隔离芯片更具优势。

电动车渗透率快速提升，拉动车用隔离芯片需求，预计未来 4 年市场空间 CAGR 近 40%。在全球碳达峰及碳中和的大背景下，我们预计电动车行业未来四年将维持稳定增长 趋势。根据乘联会和 Marklines 数据，我们预计 2022 年电动车全球销量增长至接近 1000 万台，同比+50%以上，到 2025 年销量增至约 2300 万台，对应 4 年 CAGR 为 38%。汽 车电动化的快速推进将带动车规隔离芯片需求持续放量，我们按照单车价值量 300~400 元测算，预计 2022 年全球电动车行业各类隔离芯片需求约为 30~35 亿元，到 2025 年有 望增长至 80+亿元，对应 4 年 CAGR 接近 40%；2022 年电动车需求在隔离芯片市场空间 的占比接近 20%，我们预计 2025 年时有望提升至接近 40%，成为隔离芯片最重要的增量 来源。

光伏：双碳政策驱动全球装机量加速提升，拉动隔离芯片需求保持~30%增 速增长

光伏属于中高压系统，单台逆变器中所需隔离产品价值约 40~60 元。光伏逆变器可以 将光伏太阳能板产生的可变直流电转化为交流电，然后反馈回商用输电系统，或是供离网 的电网使用。为提升光伏逆变器系统的安全性，需要大量使用各类隔离芯片，比如逆变器 的核心是通过 IGBT 或其他功率器件去实现电能转换，涉及到隔离驱动；逆变器系统（尤其是组串式光伏逆变器）需要进行内部通信，涉及到隔离接口；此外，为保障逆变器输出 的交流电符合输电系统或离网电网的要求（包括电压等级和电流是否为正弦波），需要使 用隔离采样产品（电压采样和电流采样）。根据我们进行的产业调研，整体来看，一台光 伏逆变器平均需要使用 30~50 颗各类隔离芯片（考虑都是单通道数字隔离器，如使用多通 道产品则数量减少但价值量接近），我们测算单台 ASP 约 40~60 元。

双碳政策驱动下，全球光伏产业加速发展，带动相关隔离芯片市场空间 CAGR 接近 30%。政策支持叠加技术进步，光伏行业长期发展明确。其中国内风光大基地和“整县光 伏”等项目加快推进，国内风光基地一期项目批复规模约 100GW，工商业分布式光伏和 户用光伏快速增长；海外市场在后疫情时代和电价上涨的趋势下需求强势复苏，其中欧洲 市场和美国市场依然是装机的主力，根据 IEA 数据，欧洲市场装机有望持续超过 30GW； 在政策鼓励和成本下降的趋势下，印度、拉美等其他第三世界国家的市场也占据重要位置。 政策支持和技术进步持续推动行业快速发展。中信证券研究部电新组预计 2022 年全球光 伏新增装机有望达 250GW 以上，且需求节奏有望逐季改善，2025 年有望增至 520GW。 隔离芯片作为光伏逆变器系统内与电路安全相关的重要半导体器件，其市场空间将被打开， 我们预测 2022 年全球光伏相关的隔离芯片需求达 10 亿元，对应未来 3 年 CAGR 有望接 近 30%。

格局：海外大厂主导，国产替代加速推进

海外厂商具备先发优势，在光耦隔离与数字隔离领域均占据主导地位。欧美日半导体 公司在隔离芯片领域起步较早（如安华高、ADI、TI、Silicon Labs 等），并长期占据市场 主导地位，其中 1）光耦隔离：该技术于上世纪 70 年代率先推出，直到上世纪 90 年代后期一直是市 场上唯一的隔离芯片解决方案，其代表厂商包括安华高（被博通收购）、飞兆（被安森美 收购）、东芝、瑞萨等美日厂商； 2）数字隔离：21 年世纪以来逐步形成对光耦隔离的替代，ADI 推出磁耦技术，Silicon Labs 与 TI 推出容耦技术，根据 Markets and Markets 的统计数据，2020 年 TI、Silicon Labs、 ADI、博通（含安华高）、英飞凌共占全球数字隔离类芯片市场的 40%-50%。

国产芯片厂商加速追赶，光耦领域玩家众多，数字隔离领域玩家相对稀缺。由于隔离 芯片在客户端的重要地位，叠加半导体国产替代的大背景，国内厂商也积极布局隔离芯片 产品线，其中：1）光耦隔离：中国台湾厂商包括光宝科技、亿光电子和今台电子，中国 大陆厂商包括奥伦德、华润微、优达光等，目前台系与大陆光耦厂商仍以中低端产品为主， 下游以消费类为主，在国产替代背景下中国光耦隔离芯片厂商也正积极导入本土大客户供 应链。2）数字隔离：目前国内数字隔离芯片厂商均选择容耦隔离技术，主要源于该技术 凭借性价比、功耗、抗干扰能力等方面的优势在隔离芯片领域的份额有望持续提升，目前 典型公司包括纳芯微、川土微、荣湃等，其中：

——纳芯微：2017~18 年开始布局隔离产品，目前已推出标准数字隔离器与多种隔离 +产品（如隔离驱动、隔离接口、隔离采样、隔离电源等），主要布局通信基站、新能源汽 车、工业自动化、智能电网、光伏等应用场景，可满足市场主流需求。通过积极突破技术 壁垒，公司数字隔离类芯片的抗共模瞬态干扰能力、抗静电能力等多项关键技术指标达到 或优于国际竞品，各品类数字隔离类芯片中的主要型号通过了 VDE、UL、CQC 等安规 认证，并且部分型号通过了 VDE0884-11 增强隔离认证，部分型号已通过 AEC Q100 车 规认证，相关产品已成功进入多个行业一线客户的供应体系并实现批量供货。根据Markets and Markets 的数据，公司隔离芯片产品 2020 年按出货量算在全球市占率达 5%， 且 2021 年实现跨越式增长。

——川土微：2018 年开始推出标准隔离器，此后不断完善隔离产品线，目前已覆盖 标准数字隔离器、隔离接口、隔离采样与隔离电源等，已广泛应用于工业控制、电源能 源、汽车电子等领域。

——荣湃半导体：2017 年公司成立，主要团队来自高通、Silicon Labs 等海外大厂， 目前公司已经申请 15 项隔离器领域发明专利，并覆盖标准数字隔离器、隔离接口、隔离 驱动与隔离采样等。

隔离芯片是“敲门砖”，相关厂商积极布局其他模拟赛道，以打开成长天花板。需要 注意的是，纳芯微、川土微等隔离芯片厂商除隔离产品线外，也积极布局其他模拟芯片细 分赛道，其中纳芯微也推出了非隔离的接口、驱动、采样和电源产品，川土微产品线包括 隔离、射频、接口、高性能模拟等。正如我们上文所分析，由于隔离芯片在客户端的重要 地位，部分模拟芯片厂商选择将隔离芯片作为切入电动车、工业等中高端应用场景的“敲 门砖”，并强化与客户间的粘性，在成功切入客户供应链后，再继续导入其他模拟产品打 开更大成长空间。以纳芯微为例，公司 2018 年切入隔离芯片赛道后进入加速发展阶段： 公司隔离芯片业务陆续在信息通信、工业控制、汽车电子等领域实现快速放量，且后续有 望带动非隔离产品的导入；在新能源汽车领域，公司隔离与接口、驱动与采样系列产品已 成功实现对比亚迪、五菱汽车、长城汽车、一汽集团、宁德时代等主流厂商的批量供货； 在此过程中，公司收入体量实现跨越式增长，2018 年收入为 0.4 亿元，2021 年已增长至 8.62 亿元（隔离产品营收预计接近 60%），22H1 公司已实现收入 7.9 亿元，全年仍有望 保持快速增长态势。展望未来，纳芯微一方面进一步推动隔离芯片业务在各下游客户端的 份额提升，另一方面积极拓展非隔离产品线，成长天花板有望不断打开。

（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。）