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前言
目前的家電控制器在高效電機(jī)、第三代半導(dǎo)體材料方向發(fā)展還處在起步階段，需要加快新技術(shù)的推進(jìn)和整體向智能化、低碳化的轉(zhuǎn)型。就目前而言，家電控制器雖然同時(shí)面臨著市場和技術(shù)問題，但應(yīng)市場需求，家電控制器的性能和功能不斷得到創(chuàng)新，發(fā)展空間被行業(yè)人士一致看好。
家電控制器的問題及MCU廠商面臨的挑戰(zhàn)
按類型來分，目前家電市場主要分為白電和小家電等。對(duì)小家電市場而言，多年來，家電控制器經(jīng)歷了由日韓到臺(tái)系再到國產(chǎn)的替代過程，MCU位數(shù)也從4位單片機(jī)發(fā)展到8位單片機(jī)，近些年也有32位MCU開始涉足小家電領(lǐng)域，MCU的功能從單一的家電控制器，發(fā)展到集成LED、LCD、Touch、語音等應(yīng)用。而白電領(lǐng)域的MCU主要以8位和16位單片機(jī)為主，近年來，也有廠商的32位單片機(jī)開始切入，目前白電市場的MCU主要仍以日系產(chǎn)品為主。
市場方面，小家電PCBA進(jìn)入門檻較低，尤其是低端跑量市場，小企業(yè)多，沒有研發(fā)投入，設(shè)備二手居多，原材料可以是翻新料，只為搶奪客戶。一味的壓縮成本，提供質(zhì)保期很短的PCB，導(dǎo)致一過質(zhì)保期就壞，劣幣驅(qū)逐良幣。廈門澎湃微電子有限公司(簡稱“澎湃微”)市場總監(jiān)雷江峰認(rèn)為，作為家電控制器MCU廠商，還是要選擇資質(zhì)優(yōu)良，規(guī)模尚可，有良好的加工能力及品質(zhì)管控高的PCBA廠合作。小家電本身價(jià)格不高，功能不復(fù)雜，直接導(dǎo)致成本考核也高，各MCU企業(yè)需要綜合考量自身的產(chǎn)品有無競爭力。
此外白色家電市場對(duì)PCBA供應(yīng)商的綜合能力要求較高，包括研發(fā)，品控，加工能力，工商正規(guī)，淘汰一部分家庭作坊式的供應(yīng)商。隨著歐美，日韓的MCU大廠有計(jì)劃的放棄這部分市場(目標(biāo)轉(zhuǎn)向汽車電子)，臺(tái)系及國內(nèi)廠家有望分一部分市場。但白電研發(fā)周期長，測試，安規(guī)要求多，見效不快。另外，白色家電市場同樣面臨原材料及人工成本的上升，利潤變薄的問題。有實(shí)力的廠家，已經(jīng)在積極引進(jìn)機(jī)器人。雷江峰對(duì)此表示，國內(nèi)家電控制器MCU廠家首先需要拿出對(duì)標(biāo)歐美的產(chǎn)品，其次要有耐心和客戶一起成長，做好技術(shù)支持。
目前現(xiàn)階段的家電控制器主要存在同質(zhì)化競爭事宜，產(chǎn)品不僅在功能特點(diǎn)，在產(chǎn)品用料等方面均出現(xiàn)不同程度的競爭。同時(shí)，如何通過家電控制器的質(zhì)量來提高整個(gè)家電產(chǎn)品的品質(zhì)非常重要。最后，如何能體現(xiàn)自己在電機(jī)算法上的優(yōu)勢，最能體現(xiàn)一家家電控制廠商的核心競爭力。
雷江峰指出，小家電PCB市場方面，目前國內(nèi)家電控制器MCU廠家基本能提供較好的支持，產(chǎn)品不復(fù)雜，要求不高。較大的問題是，大多數(shù)廠家無研發(fā)能力，需要MCU公司保姆式地研發(fā)及技術(shù)支持，甚至出原理圖，畫PCB及軟件方案等支持。
而白色家電PCB的研發(fā)及生產(chǎn)要求較高，廠家有一定的研發(fā)實(shí)力。目前的主要問題是，隨著國產(chǎn)化替代的進(jìn)行，家電控制器廠家也會(huì)對(duì)標(biāo)國外同類MCU的功能及品質(zhì)，要求國內(nèi)MCU廠家提供必要的支持及產(chǎn)品。如何讓工程師盡快的上手，熟悉產(chǎn)品，國內(nèi)的家電控制器MCU廠家需要從開發(fā)工具到產(chǎn)品功能都要和國際接軌。另外，研發(fā)需要提供成熟的例程供參考，這也是家電控制器MCU廠家需要積累的。
家電控制器設(shè)計(jì)智能、集成化，MCU開發(fā)方案各有特色
隨著家電控制器更多走向具有連網(wǎng)以及整合的趨勢。南京凌鷗創(chuàng)芯電子有限公司(簡稱“凌鷗創(chuàng)芯”)的MCU不只整合了系統(tǒng)及方案與各關(guān)鍵突破點(diǎn)，同時(shí)集成了例如OPA，DSP等豐富的外圍器件與運(yùn)算單元，使得以往需要兩個(gè)或是以上的芯片才能完成的計(jì)算，一顆芯片就可以完成。據(jù)凌鷗創(chuàng)芯副總經(jīng)理黃致愷介紹，凌鷗創(chuàng)芯的MCU芯片具有更高性能的計(jì)算能力，更高的功率元件整合，使得家電控制器能夠更小型化，使用更少的零件降低系統(tǒng)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。例如空調(diào)室外機(jī)的PFC+風(fēng)機(jī)+壓縮機(jī)整合為一，減少M(fèi)CU使用數(shù)量，使得壓縮機(jī)低轉(zhuǎn)速更穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速更高，搭配數(shù)字PFC，整機(jī)做到真正變頻的高效率空調(diào)驅(qū)動(dòng)。
同時(shí)，澎湃微作為一家國產(chǎn)MCU后起之秀，成立3年以來，著力于32位MCU的產(chǎn)品研發(fā)和拓展。陸續(xù)推出M0和M3等系列產(chǎn)品，產(chǎn)品集成LED、LCD、運(yùn)算放大器、比較器等功能，成功應(yīng)用于汽車電子、家電、電機(jī)、醫(yī)療電子、物聯(lián)網(wǎng)及消費(fèi)電子等領(lǐng)域。同時(shí)，澎湃微還具有高性能ADC、Touch等技術(shù)能力，具有高端工控及白電市場產(chǎn)品的技術(shù)儲(chǔ)備。此外，澎湃微32位MCU具有高抗干擾能力，如ESD(HBM模式)可以達(dá)到8千伏，EFT(群脈沖)可以達(dá)到4千伏，超過國內(nèi)多數(shù)同行。
此外，上海靈動(dòng)微電子股份有限公司(簡稱“靈動(dòng)微電子”)憑借在電機(jī)控制領(lǐng)域深耕多年的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)未來家電控制器的設(shè)計(jì)方向均有所布局。
靈動(dòng)微電子資深電機(jī)技術(shù)經(jīng)理丁文雙介紹，在高集成化方面，靈動(dòng)微電子推出了集成了預(yù)驅(qū)及功率元件的“All In One”系列芯片，目前涵蓋了從20V到200V電壓等級(jí)，在今年還會(huì)推出電壓高達(dá)600V的驅(qū)動(dòng)芯片，從目前市場調(diào)研來看，深受目標(biāo)客戶的關(guān)注。
在高能效和高功率密度方面，靈動(dòng)微電子儲(chǔ)備了永磁輔助同步磁阻電機(jī)的高效控制技術(shù)，該電機(jī)以較高的能效和較少的永磁材料使用率有望取代永磁同步電機(jī)成為下一代家電控制主流電機(jī)；同時(shí)與電機(jī)廠商緊密合作，開發(fā)了眾多機(jī)電一體化的解決方案，從電機(jī)出生階段就將高集成化刻畫在了基因中。另外靈動(dòng)微電子還儲(chǔ)備了參數(shù)辨識(shí)自整定算法、多種無位置傳感器算法、超高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、震動(dòng)抑制算法、高功率因數(shù)PFC等前沿電控技術(shù)，為家電控制器向智能化、高適應(yīng)性、高可靠性發(fā)展提供助益。
家電智能控制器MCU的創(chuàng)新應(yīng)用方案
隨著家用電器自動(dòng)化程度的不斷提高，特別是智能家電的出現(xiàn)，家電中電機(jī)的使用越來越頻繁，數(shù)量越來越多，并且電機(jī)的類型有從傳統(tǒng)的有刷電機(jī)逐漸向三相無刷電機(jī)進(jìn)化的趨勢。這對(duì)傳統(tǒng)的簡單控制MCU性能提出了新的要求，即使勉強(qiáng)應(yīng)對(duì)，也可能使得系統(tǒng)變得復(fù)雜而失去競爭力。面對(duì)挑戰(zhàn)，各大MCU供應(yīng)商紛紛加大了對(duì)MCU的研發(fā)力度，以更新的產(chǎn)品、更高的技術(shù)滿足不斷變化的市場需求。
就電機(jī)控制而言，MCU是電機(jī)控制的核心單元，為了提高電機(jī)控制的精度和速度，矢量引擎被廣泛采用，傳統(tǒng)的矢量控制需要消耗大量的軟件資源。如果矢量控制軟件占用了嵌入式存儲(chǔ)器的主要容量，因軟件資源不足會(huì)導(dǎo)致微控制器不能有效地工作。據(jù)東芝電子元件(上海)有限公司(簡稱“東芝”)半導(dǎo)體技術(shù)統(tǒng)括部/技術(shù)企劃部高級(jí)經(jīng)理黃文源介紹，東芝的MCU系列在微控制器中引入了一個(gè)硬件IP，它能在沒有CPU詳細(xì)指令的情況下處理矢量控制中的復(fù)雜計(jì)算。硬件IP是矢量引擎。矢量引擎執(zhí)行從3相到2相的轉(zhuǎn)換、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和那些反向轉(zhuǎn)換，它們是矢量控制中的主要計(jì)算。在矢量控制中與矢量引擎配合使用將會(huì)大大提高微控制器的性能，系統(tǒng)構(gòu)成參見下圖。
一般而言，家電產(chǎn)品基于高可靠性的要求，會(huì)對(duì)芯片在強(qiáng)電磁雜訊、浪涌雷擊、高溫、高壓、高濕等惡劣環(huán)境下的性能表現(xiàn)提出嚴(yán)苛要求。中微半導(dǎo)體(深圳)股份有限公司(簡稱“中微半導(dǎo)”)憑借在家電行業(yè)的多年耕耘以及核心團(tuán)隊(duì)的車規(guī)級(jí)MCU量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，公司已經(jīng)開發(fā)出基于8位RISC、Intel 8051、RISC-V等內(nèi)核且具有高可靠性架構(gòu)設(shè)計(jì)、充足的設(shè)計(jì)裕量確保高一致性和抗干擾存儲(chǔ)技術(shù)特征的高可靠性芯片設(shè)計(jì)平臺(tái)。這些性能優(yōu)秀的芯片產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于熱水器、電磁爐、微波爐、燃?xì)庠?、油煙機(jī)等小家電電器，部分已進(jìn)入空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)等大家電領(lǐng)域。
對(duì)于未來的主攻方向，中微半導(dǎo)應(yīng)用開發(fā)部部長羅洪健表示，公司將基于MCU為核心，集成觸摸控制、屏幕顯示、ADC轉(zhuǎn)換等功能模塊數(shù)?；旌闲酒愿呖煽啃?、高集成度和高性能觸摸的技術(shù)優(yōu)勢，重點(diǎn)打造適用于大家電控制和工業(yè)控制的高性能MCU芯片全功能開發(fā)平臺(tái)。
隨著家電智能化的大力發(fā)展，家電控制器朝物聯(lián)網(wǎng)及語音辨識(shí)等方向發(fā)展。澎湃微具有超低功耗的MCU技術(shù)，MCU的深度休眠功耗小于1微安，支持多喚醒源喚醒及快速喚醒，為家電控制器朝物聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，澎湃微有多家射頻芯片合作方，可以為家電控制器的物聯(lián)網(wǎng)化提供更好的解決方案。其次，澎湃微具有完整的電機(jī)算法團(tuán)隊(duì)，可以針對(duì)直流無刷電機(jī)及永磁同步電機(jī)提供方案支持。語音辨識(shí)等方向，澎湃微將會(huì)推出具有超性價(jià)比的語音識(shí)別MCU。
另外，凌鷗創(chuàng)芯的產(chǎn)品級(jí)方案包含電動(dòng)自行車、電動(dòng)滑板車、吹風(fēng)機(jī)、吸塵器、高速電調(diào)、油煙機(jī)、冰箱壓縮機(jī)、洗衣機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、空調(diào)風(fēng)機(jī)、吊扇燈、落地扇、跑步機(jī)、呼吸機(jī)、經(jīng)膜槍、電動(dòng)剪刀、電動(dòng)螺絲刀、電動(dòng)扳手、電動(dòng)角磨等豐富的優(yōu)秀方案…不同的方案有各自創(chuàng)新的特點(diǎn)，例如冰箱壓縮機(jī)，具有優(yōu)越的啟動(dòng)特性；空調(diào)室外機(jī)具有多合一驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可以同時(shí)PFC+風(fēng)機(jī)+壓縮機(jī)，且在降低電容使用的條件下，做到超低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)等優(yōu)勢。
國產(chǎn)MCU替代加速，集成、高效趨勢明確
眾所周知，未來家電控制器在家電領(lǐng)域的作用會(huì)越來越重要。隨著家電市場競爭越來越激烈，從家電品牌的競爭會(huì)逐步傳遞到家電控制器的競爭，家電控制器會(huì)出現(xiàn)多家廠商并存的現(xiàn)象，而一改往常被單一廠商壟斷的問題。而且隨著近些年來國產(chǎn)化大趨勢下，國產(chǎn)MCU廠商會(huì)打破傳統(tǒng)的玻璃天花板，而一躍進(jìn)入白電和高端工控等領(lǐng)域，目前已經(jīng)有部分國產(chǎn)MCU廠商進(jìn)入到白電頭部客戶。伴隨電機(jī)算法的不斷完善和加強(qiáng)，更適用于國產(chǎn)MCU的電機(jī)算法應(yīng)運(yùn)而生，也會(huì)加速國產(chǎn)化替代。
作為家電市場后來者，澎湃微目前8bit的IO和Touch等產(chǎn)品主要在小家電等領(lǐng)域出貨，出貨增幅明顯。雷江峰表示，隨著澎湃微PT32L031和PT32F030等產(chǎn)品的大力推廣，預(yù)計(jì)今年在家電市場開始有所斬獲，產(chǎn)品主要集中在油煙機(jī)、風(fēng)筒、風(fēng)扇等市場。
雷江峰還表示，未來，白電定會(huì)聯(lián)網(wǎng)化，大多數(shù)板卡廠在這方面投入不多，MCU廠家可以調(diào)研這類市場，推出集成化的MCU。
另外從丁文雙獲知，隨著國產(chǎn)芯片在質(zhì)量上的精益求精及在電控細(xì)分領(lǐng)域上的超前設(shè)計(jì)布局，國產(chǎn)替代在家電領(lǐng)域的占比越來越高。去年和今年一季度，行業(yè)整體還處于供貨比較緊張的局面，靈動(dòng)微電子產(chǎn)品目前供不應(yīng)求，2022年將接連推出了更多基于新工藝的新產(chǎn)品，增加今年的出貨量，助力緩解供需壓力。他指出，未來的家電控制器設(shè)計(jì)方面，靈動(dòng)微電子也將會(huì)向高集成化、高能效、高功率密度、智能化、高適應(yīng)性、高可靠性等方向發(fā)展助力。
羅洪健表示，未來，人工智能在家電領(lǐng)域的深入應(yīng)用，使得更多的家電具備自主學(xué)習(xí)的能力，可以預(yù)見極高的運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理效率的同時(shí)又能做到極低運(yùn)行功耗的芯片，可以讓家電廠商更具競爭力。
結(jié)語
隨著家電網(wǎng)聯(lián)化和智能化時(shí)代到來，以及消費(fèi)者習(xí)慣的改變，智能感應(yīng)、語音辨識(shí)等功能逐漸進(jìn)入到更多的家電產(chǎn)品。未來AIoT在家電領(lǐng)域中的應(yīng)用廣泛深入，智能家電在家庭中的使用數(shù)量隨之增加，我們的生活將會(huì)更加豐富多彩。不難發(fā)現(xiàn)，伴隨著家電控制器智能網(wǎng)聯(lián)化的趨勢將會(huì)越來越明顯，應(yīng)用功能和場景增多，其市場空間也將被進(jìn)一步擴(kuò)大。
