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智能網聯化,家電控制器之現狀淺析
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智能網聯化,家電控制器之現狀淺析

2022-05-05 17:27:00 來源:半導體器件應用網

【嗶哥嗶特導讀】家電智能網聯化的趨勢越發明顯,而家電控制器目前面臨著哪些挑戰和創新?

前言

目前的家電控制器在高效電機、第三代半導體材料方向發展還處在起步階段,需要加快新技術的推進和整體向智能化、低碳化的轉型。就目前而言,家電控制器雖然同時面臨著市場和技術問題,但應市場需求,家電控制器的性能和功能不斷得到創新,發展空間被行業人士一致看好。

家電控制器的問題及MCU廠商面臨的挑戰

按類型來分,目前家電市場主要分為白電和小家電等。對小家電市場而言,多年來,家電控制器經歷了由日韓到臺系再到國產的替代過程,MCU位數也從4位單片機發展到8位單片機,近些年也有32位MCU開始涉足小家電領域,MCU的功能從單一的家電控制器,發展到集成LED、LCD、Touch、語音等應用。而白電領域的MCU主要以8位和16位單片機為主,近年來,也有廠商的32位單片機開始切入,目前白電市場的MCU主要仍以日系產品為主。

市場方面,小家電PCBA進入門檻較低,尤其是低端跑量市場,小企業多,沒有研發投入,設備二手居多,原材料可以是翻新料,只為搶奪客戶。一味的壓縮成本,提供質保期很短的PCB,導致一過質保期就壞,劣幣驅逐良幣。廈門澎湃微電子有限公司(簡稱“澎湃微”)市場總監雷江峰認為,作為家電控制器MCU廠商,還是要選擇資質優良,規模尚可,有良好的加工能力及品質管控高的PCBA廠合作。小家電本身價格不高,功能不復雜,直接導致成本考核也高,各MCU企業需要綜合考量自身的產品有無競爭力。

此外白色家電市場對PCBA供應商的綜合能力要求較高,包括研發,品控,加工能力,工商正規,淘汰一部分家庭作坊式的供應商。隨著歐美,日韓的MCU大廠有計劃的放棄這部分市場(目標轉向汽車電子),臺系及國內廠家有望分一部分市場。但白電研發周期長,測試,安規要求多,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。有實力的廠家,已經在積極引進機器人。雷江峰對此表示,國內家電控制器MCU廠家首先需要拿出對標歐美的產品,其次要有耐心和客戶一起成長,做好技術支持。

目前現階段的家電控制器主要存在同質化競爭事宜,產品不僅在功能特點,在產品用料等方面均出現不同程度的競爭。同時,如何通過家電控制器的質量來提高整個家電產品的品質非常重要。最后,如何能體現自己在電機算法上的優勢,最能體現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,目前國內家電控制器MCU廠家基本能提供較好的支持,產品不復雜,要求不高。較大的問題是,大多數廠家無研發能力,需要MCU公司保姆式地研發及技術支持,甚至出原理圖,畫PCB及軟件方案等支持。

而白色家電PCB的研發及生產要求較高,廠家有一定的研發實力。目前的主要問題是,隨著國產化替代的進行,家電控制器廠家也會對標國外同類MCU的功能及品質,要求國內MCU廠家提供必要的支持及產品。如何讓工程師盡快的上手,熟悉產品,國內的家電控制器MCU廠家需要從開發工具到產品功能都要和國際接軌。另外,研發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。

家電控制器設計智能、集成化,MCU開發方案各有特色

隨著家電控制器更多走向具有連網以及整合的趨勢。南京凌鷗創芯電子有限公司(簡稱“凌鷗創芯”)的MCU不只整合了系統及方案與各關鍵突破點,同時集成了例如OPA,DSP等豐富的外圍器件與運算單元,使得以往需要兩個或是以上的芯片才能完成的計算,一顆芯片就可以完成。據凌鷗創芯副總經理黃致愷介紹,凌鷗創芯的MCU芯片具有更高性能的計算能力,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錯誤的風險。例如空調室外機的PFC+風機+壓縮機整合為一,減少MCU使用數量,使得壓縮機低轉速更穩定,轉速更高,搭配數字PFC,整機做到真正變頻的高效率空調驅動。

智能網聯化,家電控制器之現狀淺析

同時,澎湃微做為一家國產MCU后起之秀,成立3年以來,著力于32位MCU的產品研發和拓展。陸續推出M0和M3等系列產品,產品集成LED、LCD、運算放大器、比較器等功能,成功應用于汽車電子、家電、電機、醫療電子、物聯網及消費電子等領域。同時,澎湃微還具有高性能ADC、Touch等技術能力,具有高端工控及白電市場產品的技術儲備。此外,澎湃微32位MCU具有高抗干擾能力,如ESD(HBM模式)可以達到8千伏,EFT(群脈沖)可以達到4千伏,超過國內多數同行。

此外,上海靈動微電子股份有限公司(簡稱“靈動微電子”)憑借在電機控制領域深耕多年的經驗,對未來家電控制器的設計方向均有所布局。

智能網聯化,家電控制器之現狀淺析

靈動微電子資深電機技術經理丁文雙介紹,在高集成化方面,靈動微電子推出了集成了預驅及功率元件的“All In One”系列芯片,目前涵蓋了從20V到200V電壓等級,在今年還會推出電壓高達600V的驅動芯片,從目前市場調研來看深受目標客戶的關注。

在高能效和高功率密度方面,靈動微電子儲備了永磁輔助同步磁阻電機的高效控制技術,該電機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成為下一代家電控制主流電機;同時與電機廠商緊密合作,開發了眾多機電一體化的解決方案,從電機出生階段就將高集成化刻畫在了基因中。另外靈動微電子還儲備了參數辨識自整定算法、多種無位置傳感器算法、超高速電機驅動技術、震動抑制算法、高功率因數PFC等前沿電控技術,為家電控制器向智能化、高適應性、高可靠性發展提供助益。

家電智能控制器MCU的創新應用方案

隨著家用電器自動化程度的不斷提高,特別是智能家電的出現,家電中電機的使用越來越頻繁,數量越來越多,并且電機的類型有從傳統的有刷電機逐漸向三相無刷電機進化的趨勢。這對傳統的簡單控制MCU性能提出了新的要求,即使勉強應對,也可能使得系統變得復雜而失去競爭力。面對挑戰,各大MCU供應商紛紛加大了對MCU的研發力度,以更新的產品、更高的技術滿足不斷變化的市場需求。

就電機控制而言,MCU是電機控制的核心單元,為了提高電機控制的精度和速度,矢量引擎被廣泛采用,傳統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器的主要容量,因軟件資源不足會導致微控制器不能有效地工作。據東芝電子元件(上海)有限公司(簡稱“東芝”)半導體技術統括部/技術企劃部高級經理黃文源介紹,東芝的MCU系列在微控制器中引入了一個硬件IP,它能在沒有CPU詳細指令的情況下處理矢量控制中的復雜計算。硬件IP是矢量引擎。矢量引擎執行從3相到2相的轉換、旋轉坐標轉換和那些反向轉換,它們是矢量控制中的主要計算。在矢量控制中與矢量引擎配合使用將會大大提高微控制器的性能,系統構成參見下圖。

智能網聯化,家電控制器之現狀淺析

一般而言,家電產品基于高可靠性的要求,會對芯片在強電磁雜訊、浪涌雷擊、高溫、高壓、高濕等惡劣環境下的性能表現提出嚴苛要求。中微半導體(深圳)股份有限公司(簡稱“中微半導”)憑借在家電行業的多年耕耘以及核心團隊的車規級MCU量產經驗,公司已經開發出基于8位RISC、Intel 8051、RISC-V等內核且具有高可靠性架構設計、充足的設計裕量確保高一致性和抗干擾存儲技術特征的高可靠性芯片設計平臺。這些性能優秀的芯片產品廣泛應用于熱水器、電磁爐、微波爐、燃氣灶、油煙機等小家電電器,部分已進入空調、冰箱、洗衣機等大家電領域。

對于未來的主攻方向,中微半導應用開發部部長羅洪健表示,公司將基于MCU為核心,集成觸摸控制、屏幕顯示、ADC轉換等功能模塊數?;旌闲酒?,以高可靠性、高集成度和高性能觸摸的技術優勢,重點打造適用于大家電控制和工業控制的高性能MCU芯片全功能開發平臺。

隨著家電智能化的大力發展,家電控制器朝物聯網及語音辨識等方向發展。澎湃微具有超低功耗的MCU技術,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網方向發展打下堅實的基礎。同時,澎湃微有多家射頻芯片合作方,可以為家電控制器的物聯網化提供更好的解決方案。其次,澎湃微具有完整的電機算法團隊,可以針對直流無刷電機及永磁同步電機提供方案支持。語音辨識等方向,澎湃微將會推出具有超性價比的語音識別MCU。

另外,凌鷗創芯的產品級方案包含電動自行車、電動滑板車、吹風機、吸塵器、高速電調、油煙機、冰箱壓縮機、洗衣機、空調壓縮機、空調風機、吊扇燈、落地扇、跑步機、呼吸機、經膜槍、電動剪刀、電動螺絲刀、電動扳手、電動角磨等豐富的優秀方案…不同的方案有各自創新的特點,例如冰箱壓縮機,具有優越的啟動特性;空調室外機具有多合一驅動技術,可以同時PFC+風機+壓縮機,且在降低電容使用的條件下,做到超低轉速運轉等優勢。

國產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域的作用會越來越重要。隨著家電市場競爭越來越激烈,從家電品牌的競爭會逐步傳遞到家電控制器的競爭,家電控制器會出現多家廠商并存的現象,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化大趨勢下,國產MCU廠商會打破傳統的玻璃天花板,而一躍進入白電和高端工控等領域,目前已經有部分國產MCU廠商進入到白電頭部客戶。伴隨電機算法的不斷完善和加強,更適用于國產MCU的電機算法應運而生,也會加速國產化替代。

作為家電市場后來者,澎湃微目前8bit的IO和Touch等產品主要在小家電等領域出貨,出貨增幅明顯。雷江峰表示,隨著澎湃微PT32L031和PT32F030等產品的大力推廣,預計今年在家電市場開始有所斬獲,產品主要集中在油煙機、風筒、風扇等市場。

智能網聯化,家電控制器之現狀淺析

雷江峰還表示,未來,白電定會聯網化,大多數板卡廠在這方面投入不多,MCU廠家可以調研這類市場,推出集成化的MCU。

另外從丁文雙獲知,隨著國產芯片在質量上的精益求精及在電控細分領域上的超前設計布局,國產替代在家電領域的占比越來越高。去年和今年一季度,行業整體還處于供貨比較緊張的局面,靈動微電子產品目前供不應求,2022年將接連推出了更多基于新工藝的新產品,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計方面,靈動微電子也將會向高集成化、高能效、高功率密度、智能化、高適應性、高可靠性等方向發展助力。

羅洪健表示,未來,人工智能在家電領域的深入應用,使得更多的家電具備自主學習的能力,可以預見極高的運算及數據處理效率的同時又能做到極低運行功耗的芯片,可以讓家電廠商更具競爭力。

結語

隨著家電逐步網聯化和智能化時代到來,消費者習慣的改變,智能感應、語音辨識等功能逐漸進入到更多的家電產品。未來AIoT在家電領域中的應用將會越來越多,智能家電在家庭中的使用數量增多,我們的生活將會更加豐富多彩。不難發現,伴隨著家電控制器智能網聯化的趨勢將會越來越明顯,應用功能和場景增多,其市場空間也將被進一步擴大。

 

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