高集成化的芯片成為當(dāng)下MCU領(lǐng)域研發(fā)和市場(chǎng)布局的重點(diǎn)，但是在實(shí)際應(yīng)用中仍然面臨散熱等痛點(diǎn)問題，MCU廠商是如何解決和優(yōu)化這些痛點(diǎn)？

隨著全球工業(yè)自動(dòng)化、智能制造和綠色發(fā)展的不斷推進(jìn)，中國(guó)電機(jī)行業(yè)正站在新一輪技術(shù)變革的風(fēng)口浪尖。

在電機(jī)領(lǐng)域的MCU應(yīng)用上，一方面市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)白熱化階段，各廠商從多維度加碼產(chǎn)品升級(jí)，以推動(dòng)提升市場(chǎng)占有率;另一方面，下游整機(jī)廠商對(duì)MCU等元器件的需求越來越精細(xì)化、方案化，這也使得上游廠商在設(shè)計(jì)和推廣MCU產(chǎn)品時(shí)需要更貼合市場(chǎng)前沿趨勢(shì)。

那么，如今MCU產(chǎn)品在電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)是怎樣的?MCU市場(chǎng)從紅海競(jìng)爭(zhēng)又將分化出哪些細(xì)分領(lǐng)域?MCU未來新的增長(zhǎng)點(diǎn)會(huì)是什么?

帶著這些問題，在2024中國(guó)(秋季)電機(jī)智造與創(chuàng)新應(yīng)用暨電機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈交流會(huì)期間，我們與元能芯、靈動(dòng)微、睿興科技等MCU廠商，以及部分整機(jī)廠商進(jìn)行了交流。

圖注：2024中國(guó)(秋季)電機(jī)智造與創(chuàng)新應(yīng)用暨電機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈交流會(huì)現(xiàn)場(chǎng)

01 | “大功率、小體積”的集成芯片方案，已是電機(jī)應(yīng)用趨勢(shì)?

集成化，是如今電機(jī)市場(chǎng)對(duì)MCU產(chǎn)品最明顯的需求點(diǎn)。

在受訪的下游整機(jī)廠商中，小熊電器相關(guān)人員表示：“現(xiàn)在我們做的家電產(chǎn)品體積越來越小，因此需要芯片集成度越來越高;我們也觀察到目前元器件廠商推出的主流BLDC產(chǎn)品集成化趨勢(shì)越來越明顯，算法趨于簡(jiǎn)單，這將大大降低整機(jī)廠商開發(fā)的難度和周期。我們希望未來能通過一個(gè)芯片集成化全部元器件，實(shí)現(xiàn)‘大功率、小家電’。”

和而泰產(chǎn)品經(jīng)理唐祥也表示，目前傳統(tǒng)工具類行業(yè)已經(jīng)相對(duì)成熟，新的增量或?qū)碜杂趹?yīng)用于新興領(lǐng)域的大功率、大電流器件類產(chǎn)品。

采訪中，多家MCU廠商均共性認(rèn)為，集成化、高性能、穩(wěn)定性強(qiáng)是如今市場(chǎng)對(duì)MCU產(chǎn)品及相關(guān)方案的主要需求。

集成化，是MCU、驅(qū)動(dòng)乃至功率器件的封裝集成，以簡(jiǎn)化硬件電路，降低成本。值得注意的是，集成化并不意味著簡(jiǎn)單的芯片組合，而是系統(tǒng)性的集成化方案整合。

笙泉科技產(chǎn)品企劃行銷部專案經(jīng)理王駿維表示：“越來越多客戶選擇采購整體集成化方案，而非以往情況只采購MCU。對(duì)于客戶來說，因?yàn)椴煌骷?shù)不同，單獨(dú)采購元器件后還需要方案調(diào)試;而集成化方案下，整合元器件進(jìn)行了系統(tǒng)性方案配備，客戶可以直接導(dǎo)入集成化方案而無需重新調(diào)試。這也要求MCU廠商不僅能提供產(chǎn)品，還要能提供完整的集成化方案。”

多家MCU廠商也提到，如今下游客戶的需求正在明顯從MCU產(chǎn)品轉(zhuǎn)向綜合類的集成化方案。如今市面上主流的電機(jī)驅(qū)動(dòng)MCU產(chǎn)品沒有明顯的性能代差，未來產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)將更聚焦于集成化方案上。

在集成化方案應(yīng)用中，高性能、高可靠性、多應(yīng)用和低功耗是4個(gè)主要目標(biāo)。

02 | 實(shí)現(xiàn)集成化方案下的高性能+高可靠性+低功耗，MCU廠商有哪些思路?

在追求集成化方案高性能實(shí)現(xiàn)的道路上，現(xiàn)場(chǎng)MCU廠商為我們指明了一些集成化的關(guān)鍵方向。

來自元能芯的市場(chǎng)總監(jiān)王磊介紹，當(dāng)前元能芯All in One系列產(chǎn)品通過設(shè)計(jì)較小的內(nèi)阻、精簡(jiǎn)外圍電路，展現(xiàn)大電流、單面板、高功率密度的優(yōu)勢(shì)，功率范圍在十幾瓦到50瓦不等，與市面上ASIC方案相比擁有2-3倍的功率優(yōu)勢(shì)，因此具有更高性能、更靈活的控制方式、更廣泛應(yīng)用領(lǐng)域。

All in One系列能有效解決終端在散熱和電路板面積等難題，解決終端設(shè)備因過熱而引發(fā)產(chǎn)品故障、壽命縮短的問題，滿足終端設(shè)備小型化的需求，客戶可以快速生產(chǎn)出性能穩(wěn)定、高良率的產(chǎn)品。

靈動(dòng)微電子市場(chǎng)經(jīng)理鄔正鑫介紹，公司研發(fā)的SPIN080G，在200V三相N溝道柵極驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)上再設(shè)計(jì)了內(nèi)置DC/DC支持電壓，進(jìn)一步滿足更偏高壓的園林工具應(yīng)用。

笙泉科技則是從馬達(dá)控制升級(jí)到BLDC控制，增加了70-80%的轉(zhuǎn)換效率，以提高輸出功率。

此外，集成化方案的高可靠性也是在集成化應(yīng)用中非常重要的。

很多廠商均表示，如今MCU的集成化產(chǎn)品在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用領(lǐng)域的主要技術(shù)難點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)集成化方案性能的穩(wěn)定性。

元能芯王磊表示：“一款高集成化電機(jī)IC，要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和功能開發(fā)并不難，但是一萬次、十萬次都能持續(xù)穩(wěn)定性能，就不是那么容易，需要長(zhǎng)期且大量的算法優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)。基于此，元能芯通過將算法和系統(tǒng)級(jí)方案整合到芯片內(nèi)部，未來還將把AI元素融入到芯片內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)AI模型下的電機(jī)調(diào)機(jī)，以快速匹配電機(jī)應(yīng)用中的最佳參數(shù)。”

睿興科技研發(fā)總監(jiān)蕭經(jīng)華認(rèn)為，隨著電壓提升，元器件的耐壓度和耐受程度將會(huì)有所下降，理論上需要體積更大的元器件來維持性能的穩(wěn)定。但是在集成化方案下，可以通過高算力來計(jì)算電壓坡度、功率等等，并對(duì)電機(jī)和電池進(jìn)行智能集成化，以達(dá)到更好的集成化性能和更強(qiáng)的集成化穩(wěn)定性。

沖擊高壓應(yīng)用中空調(diào)市場(chǎng)的笙泉科技則是從原材料方面來提高集成化芯片的性能穩(wěn)定性。王駿維表示，笙泉科技在這個(gè)賽道選定的制程的工作溫度可以高達(dá)125℃，實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)域在工規(guī)-40-105℃，這相對(duì)晶圓來說雖然成本更高，但是集成化下的穩(wěn)定性更好。

高性能下的低功耗，也是如今MCU領(lǐng)域在集成化方案發(fā)展的技術(shù)前沿方向。

賽元微電機(jī)產(chǎn)品線產(chǎn)品經(jīng)理王謙敏認(rèn)為，集成化趨勢(shì)下電機(jī)的增效與節(jié)能一方面要求外圍功率器件的功耗提升和電源管理效率提升，另一方面要求集成化MCU在驅(qū)動(dòng)算法上可以做到更加高效，如何提升控制的精度、速度和效率。

蕭經(jīng)華認(rèn)為，當(dāng)下產(chǎn)品功率越來越高，尤其是集成化方案芯片下，功耗也會(huì)相應(yīng)提高，因此未來集成化MCU趨勢(shì)之一將是高壓下的低運(yùn)行功耗。

王駿維也表達(dá)了類似的觀點(diǎn)，“例如笙泉科技幫客戶開發(fā)的暴力風(fēng)扇產(chǎn)品，我們通過優(yōu)化集成化MCU控制，不僅使整個(gè)電機(jī)效率更高，也能實(shí)現(xiàn)集成化下更加節(jié)能省電。”

03 | 芯片集成化下，散熱難題將如何解決?

與此同時(shí)，在集成化、小型化趨勢(shì)下，隨著芯片集成化程度的提高，元器件內(nèi)部發(fā)熱量急劇增加，而有效散熱空間嚴(yán)重不足，這使得散熱問題成為集成化元器件進(jìn)一步向高功率方向發(fā)展的瓶頸。

具體來說，目前在集成化方案市面主流方法是采用先進(jìn)封裝方式。

王磊介紹了元能芯是如何通過先進(jìn)的封裝方式來減少發(fā)熱，“傳統(tǒng)的封裝方式主要是通過銅互聯(lián)或鋁互聯(lián)的打線方式使芯片連接在一起，我們采用先進(jìn)封裝--面板級(jí)封裝FOPLP，讓多個(gè)芯片通過PCB基板的方式整合在一個(gè)小模塊上，可有效降低功率損耗，以提高散熱效率，這樣可使芯片的體積更小、更輕薄。”

與此同時(shí)，王磊介紹：“元能芯持續(xù)堅(jiān)持采取以BOM級(jí)替換來代替Pin to Pin替代，我們不選擇簡(jiǎn)單的插拔替換方式，而是以幫助客戶優(yōu)化功能為前提，可以根據(jù)客戶的需求把外圍相關(guān)器件集成到芯片內(nèi)部，打造滿足客戶特定需求的智能功率系統(tǒng)。”

另外，行業(yè)內(nèi)也有在集成化的封裝中采用各種形式的冷卻、頂部放置 TIM(熱界面材料)來幫助冷卻等集成化方案的案例。

Synopsys EDA 集團(tuán)產(chǎn)品管理總監(jiān) William Ruby在公開報(bào)道中提到，有很多方法可以消除系統(tǒng)中的熱量，例如強(qiáng)制液體冷卻，“我們看到一些更先進(jìn)的封裝取得了許多進(jìn)步。通過3D-IC設(shè)計(jì)，可以采用強(qiáng)制氣流和液體冷卻。有一些關(guān)于能夠通過特殊通孔減輕熱量以幫助擴(kuò)散的新概念。

總的來說，目前國(guó)內(nèi)MCU廠商在高集成化芯片領(lǐng)域已經(jīng)基本解決了小功率狀態(tài)下的散熱問題，而當(dāng)功率到一定級(jí)數(shù)后散熱問題暫時(shí)還未得到徹底解決。如何解決集成化下大功率下的散熱問題，或許將是未來MCU集成化趨勢(shì)下的技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)。

04 | 高集成化芯片高效調(diào)試與定制化，如何實(shí)現(xiàn)?

除了散熱問題外，當(dāng)下集成化面臨的另一個(gè)痛點(diǎn)是集成化方案的調(diào)機(jī)。

在應(yīng)用過程中，如果需要單獨(dú)元器件的參數(shù)調(diào)試優(yōu)化，對(duì)于高集成化芯片相關(guān)廠商來說不僅比較復(fù)雜，還會(huì)帶來額外成本。

面對(duì)這種市場(chǎng)痛點(diǎn)，賽元構(gòu)建了MotoMatrix 電驅(qū)平臺(tái)的系統(tǒng)集成化方案，目標(biāo)是為用戶提供易用、標(biāo)準(zhǔn)、開放的電驅(qū)生態(tài)平臺(tái)，提升開發(fā)效率，降低開發(fā)門檻。系統(tǒng)集成化，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片上集成化更多的外設(shè)資源，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)與外圍控制放在一顆芯片和一套軟件中，以最大化利用芯片的資源。

賽元微電機(jī)產(chǎn)品線產(chǎn)品經(jīng)理王謙敏介紹，MotoMatrix 平臺(tái)在賽元電驅(qū) MCU 及集成化產(chǎn)品上，構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)化、開放的MotoMatrix算法庫，將內(nèi)環(huán)核心、外環(huán)控制、應(yīng)用接口等進(jìn)行深層次解耦和分級(jí)，并將有感、無感、方波、FOC進(jìn)行了整合統(tǒng)一，為用戶提供標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的接口。

“在此基礎(chǔ)上，賽元自主研發(fā)了MotoMatrix Studio軟件平臺(tái)，提供圖形化、建議的開發(fā)調(diào)試工具，如硬件配置、硬件檢測(cè)、速度曲線、在線調(diào)試、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等，方便用戶進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和故障排除。”

王磊介紹，元能芯旨在通過創(chuàng)造高效集成化芯片，加速綠色能源的替代，助力全球環(huán)保和能效提升，倡導(dǎo)高效低能耗電機(jī)整體解決方案。協(xié)助將傳統(tǒng)電機(jī)向高效節(jié)能電機(jī)的升級(jí)，主打MetaOne智能功率系統(tǒng)平臺(tái)(MCU+Driver+MOSFET)，為“風(fēng)”(風(fēng)機(jī))、“器”(電動(dòng)工具)、“乘”(電動(dòng)出行)、“居”(大小家電)等領(lǐng)域提供產(chǎn)品和全棧式解決方案。MetaOne平臺(tái)可輔助客戶跨越電機(jī)技術(shù)的的升級(jí)，協(xié)助客戶進(jìn)行快速調(diào)機(jī)、提供加密燒錄、及為客戶方案做二次開發(fā)。以創(chuàng)新型方案協(xié)助客戶產(chǎn)品的升級(jí)，并降低產(chǎn)品價(jià)格，達(dá)成與客戶的合作雙贏。

對(duì)于定制化需求，鄔正鑫也表示，靈動(dòng)微希望在集成化趨勢(shì)下，未來能與電機(jī)廠商做更多產(chǎn)品研發(fā)的配合，“我們觀察到，已經(jīng)有一些電機(jī)廠商的產(chǎn)品所設(shè)置的芯片并不是通用芯片，而是以電機(jī)為本體，去選擇更有針對(duì)性的芯片。在這種情況下，對(duì)于MCU廠商來說，一方面要把通用市場(chǎng)的產(chǎn)品系列鋪得更滿，另一方面要與電機(jī)廠商開展合作，以提供更針對(duì)性產(chǎn)品。”

05 | 小結(jié)

近幾年，高集成化的芯片一直是MCU領(lǐng)域的熱門領(lǐng)域，體積小、高性能的高集成化芯片更適配于如今對(duì)電機(jī)產(chǎn)品的需求。

我們發(fā)現(xiàn)，高集成化的芯片不僅從概念變成了產(chǎn)品，還在使用過程中不斷優(yōu)化性能、減少功耗，滿足下游市場(chǎng)產(chǎn)品性能提升和優(yōu)化的需求。而在這其中，作為高集成化芯片的核心控制單位MCU，對(duì)集成化方案的優(yōu)化起到了關(guān)鍵作用。

在此次采訪中可以感受到，在集成化趨勢(shì)下，如今MCU廠商與電機(jī)廠商共同研發(fā)、整合方案的情況越來越多，集成化產(chǎn)品也更加貼近整機(jī)產(chǎn)品需求。

但是，散熱問題、調(diào)試難、功能穩(wěn)定性仍然是當(dāng)下高集成化芯片應(yīng)用面臨的主要痛點(diǎn)，而這也將成為未來集成化芯片的技術(shù)增長(zhǎng)空間和市場(chǎng)突破口。

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審核編輯 黃宇