導(dǎo)讀：當(dāng)前，汽車行業(yè)正在進(jìn)行一場變革。電動化，智能化，網(wǎng)聯(lián)化已成為汽車行業(yè)的長期演進(jìn)趨勢，從內(nèi)燃機(jī)到純電驅(qū)動，從分布式架構(gòu)向集中控制域，汽車正變成繼電腦、智能手機(jī)之后第三代大型移動智能終端。
這一變革將引發(fā)一系列產(chǎn)業(yè)鏈連鎖反應(yīng)，帶動汽車半導(dǎo)體市場迎來新一波的爆發(fā)。IHS Makit數(shù)據(jù)預(yù)測，隨著汽車電子需求持續(xù)旺盛，預(yù)計(jì)汽車半導(dǎo)體市場規(guī)模將于2030年達(dá)到1100億美元。其中，MCU作為汽車電子控制系統(tǒng)的核心，在車內(nèi)應(yīng)用十分廣泛，涵蓋車身控制、信息娛樂系統(tǒng)、駕駛輔助、動力總成控制等各個領(lǐng)域。在當(dāng)前汽車“四化”趨勢下，車規(guī)級MCU迎來了巨大的增量需求。
在傳統(tǒng)燃油車上，單車MCU用量大約在50-100顆，而智能電動汽車有望實(shí)現(xiàn)翻倍甚至更多。據(jù)IC Insights預(yù)測，2023年全球車規(guī)級MCU市場規(guī)模將有望增長至88億美元。
其中，汽車智能化的發(fā)展推動人機(jī)交互方式的革新，車內(nèi)傳統(tǒng)按鍵向智能按鍵以及智能表面的轉(zhuǎn)變成為新的發(fā)展趨勢。
例如車鑰匙應(yīng)用中，傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵替代為壓力按鍵可以實(shí)現(xiàn)全防水設(shè)計(jì)；汽車座艙也開始從傳統(tǒng)靜態(tài)表面快速朝著集成了座椅調(diào)節(jié)、智能B柱、車內(nèi)氛圍燈及影音娛樂等控制功能于一體的智能表面方向發(fā)展。
智能觸控按鍵除了提供傳統(tǒng)機(jī)械按鍵的功能外，還打造了無實(shí)體按鍵、一體化、防誤觸的座艙人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)更高級、極簡又更人性化的設(shè)計(jì)需求，提升駕駛員和乘員的用戶體驗(yàn)。此外，在結(jié)構(gòu)件的小體積輕量化方面也顯示出越來越明顯的優(yōu)勢。
從目前市場現(xiàn)狀來看，汽車中應(yīng)用壓感觸控按鍵只替代了部分機(jī)械按鍵功能，單車替代率還不足25%。車內(nèi)傳統(tǒng)機(jī)械按鍵部分如方向盤、車燈、雨刷、座椅、車窗、空調(diào)、娛樂中控、門把手、啟動/停車、智能Logo，還有閱讀燈/天窗等頂部控制器以及擋位控制、腳踢控制器按鍵等幾十個按鍵，都正在逐漸由機(jī)械開關(guān)向智能開關(guān)的方向演變。
可以預(yù)見，未來兩三年車載智能觸控領(lǐng)域有望迎來爆發(fā)式的增長。這一系列應(yīng)用場景的變革均加大了汽車對智能觸控MCU的需求，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)測算，現(xiàn)階段單車上的觸控MCU平均用量大概在4-5顆，未來有望增長到20顆以上，正在催生出一片新藍(lán)海市場。
一、觸控MCU的挑戰(zhàn)和趨勢
基于車規(guī)級MCU較高的設(shè)計(jì)門檻和對產(chǎn)品開發(fā)能力的高要求，相比通用MCU，目前車規(guī)級MCU供應(yīng)商數(shù)量較少。從當(dāng)前車規(guī)級觸控MCU市場來看，供應(yīng)商以英飛凌、Microchip等海外大廠為主，觸摸開關(guān)大多是基于純電容方案進(jìn)行的參考設(shè)計(jì)。
然而，有業(yè)內(nèi)人士向筆者表示，從實(shí)際應(yīng)用中的體驗(yàn)和感受來講，純電容觸控MCU方案在檢測靈敏度、防水性、防誤觸和電磁干擾（EMI）方面存在不足和優(yōu)化空間。
靈敏度方面，希望觸摸電極的設(shè)計(jì)能有最小的對地寄生電容，這樣在觸摸狀態(tài)下會產(chǎn)生更大的相對電容量變化，靈敏度高；在防水和防誤觸方面，當(dāng)液體與電容式傳感器發(fā)生接觸時，電容值會增加，很容易造成觸控反饋的誤判。
EMC抗干擾上，特別是抗射頻干擾方面，希望觸摸電極有低的對地阻抗，以減少射頻能量的接收。一般的做法是在觸摸電極周圍加地線屏蔽環(huán)或在PCB的另一面加地屏蔽層，但這勢必會增加對地寄生電容降低靈敏度，與上述靈敏度的要求是背離的。另外，在汽車電子應(yīng)用中，觸摸電極往往是單層的ITO或其它薄膜形式，增加地屏蔽層不可實(shí)現(xiàn)，這進(jìn)一步增加了EMC設(shè)計(jì)的難度和復(fù)雜性。
綜合來看，單純的電容觸控會由于身體的無意觸碰、覆蓋水滴或者受到外部噪聲或電磁干擾等都可能會產(chǎn)生誤觸發(fā)。因此，要實(shí)現(xiàn)可靠的電容觸摸按鍵功能需要硬件方面經(jīng)驗(yàn)的積累和軟件算法的多輪優(yōu)化，最終往往是多個性能指標(biāo)、可靠性和抗干擾方面的折衷方案。
面對這些技術(shù)挑戰(zhàn)，引入兩種不同的檢測方式則可以大大簡化硬件和軟件發(fā)面的設(shè)計(jì)難度，在實(shí)現(xiàn)高靈敏度的情況下也可以滿足抗干擾性能實(shí)現(xiàn)可靠的觸摸檢測。當(dāng)前，通過壓力傳感器+電容觸控的技術(shù)整合成為了汽車壓感觸控的創(chuàng)新技術(shù)方案，高靈敏度的壓力檢測用于識別按壓動作，電容觸控用于按壓位置的定位，兩者是“與”的關(guān)系。
采用壓力觸控和電容觸控融合的雙模方案存在諸多優(yōu)勢，能很好的解決上述挑戰(zhàn)：
防水效果好：水流容易造成電容誤觸但難以造成壓力觸控的誤觸，壓力和電容采用“與”的方式，水滴或水流同時觸發(fā)的概率顯著降低。另外，通過兩種方式產(chǎn)生觸發(fā)的精確時間和波形形態(tài)進(jìn)行二次軟件算法濾波與判斷，可完全杜絕由于水造成的可能的誤觸現(xiàn)象。
降低誤觸：壓力+電容觸控可消除由于靜電、干擾以及無意觸碰等導(dǎo)致的誤觸現(xiàn)象，大大提高可靠性。
EMC測試更易通過：壓力檢測是差分輸入，內(nèi)在對共模干擾有很好的抑制作用，加上電橋等效阻抗低，接收干擾的功率低，抗電磁干擾的性能優(yōu)異。電容電極類似天線，較容易受到干擾，EMC較難通過，但實(shí)現(xiàn)成本低。通過結(jié)合壓力和電容可以發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢，縮短開發(fā)和測試周期。
壓力檢測裝配方式靈活：可以采用表貼也可以采用懸臂梁，簡支梁等結(jié)構(gòu)，使用簡易。
綜合來看，雙模觸控方案具有高可靠性、應(yīng)用簡單以及性價比高等諸多優(yōu)勢，在這場人機(jī)交互的變革中，雙模汽車壓力觸控技術(shù)將扮演起不可或缺的角色，進(jìn)而帶動車載智能觸控產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。
二、車規(guī)級雙模觸控MCU，本土廠商新突破
從MCU產(chǎn)業(yè)模式來看，傳統(tǒng)的汽車電子MCU供應(yīng)商以IDM為主，而基于以往半導(dǎo)體市場盛衰周期的經(jīng)驗(yàn)，IDM廠商在擴(kuò)產(chǎn)時會考慮產(chǎn)能利用率和投資回報，擴(kuò)產(chǎn)相對謹(jǐn)慎，在新的技術(shù)浪潮下，新產(chǎn)能投資緩慢。從幾個主要MCU 廠商發(fā)布的信息來看，隨著當(dāng)下市場需求的快速增長，整個車規(guī)級MCU供應(yīng)狀況更加緊張，今年二三季度車規(guī)級MCU的價格將有新一波的上漲，貨期也在繼續(xù)拉長，這一趨勢預(yù)計(jì)還會持續(xù)較長時間。
因此，面對車規(guī)級觸控MCU向更具技術(shù)優(yōu)勢的雙模MCU轉(zhuǎn)變趨勢，以及該市場的增量需求，英飛凌、Microchip等國外大廠開始變得“束手無力”。一方面，他們尚不能提供創(chuàng)新性的車規(guī)級雙模觸控MCU產(chǎn)品；另一方面，國外大廠在產(chǎn)能、交貨周期以及價格和技術(shù)支持方面都存在挑戰(zhàn)。目前客戶端都在積極的尋找替代方案，以滿足快速增長的需求。
同時，在近兩年一系列汽車供應(yīng)鏈危機(jī)的警醒下，越來越多的自主車企從提升供應(yīng)鏈安全的角度考慮，開始有意識地培養(yǎng)本土供應(yīng)商，這也給了國內(nèi)芯片企業(yè)很好的展示機(jī)會。加之芯片持續(xù)短缺，也在一定程度上倒逼本土企業(yè)自主突圍，多重因素的疊加作用下，為本土芯片供應(yīng)商提供了良好的發(fā)展契機(jī)。
針對車用觸控MCU，國內(nèi)芯片廠商近年來也在積極布局，不斷取得新突破。
作為本土智能觸控芯片賽道的代表廠商，泰矽微今年3月正式量產(chǎn)了專用于汽車智能表面和智能觸控開關(guān)的TCAE31-QDA2和TCAE11-QDA2兩款專用MCU芯片，可以部分解決觸控專用MCU市場供應(yīng)不足，替代品少的問題，兩款芯片均已通過AEC-Q100 Grade 2完整的可靠性認(rèn)證測試。
其中，TCAE11是純電容觸摸的芯片，支持最多10路的電容觸摸通道，功能上方面可以完全替代國外品牌；而TCAE31則是全球首款同時支持電容觸控和壓力感應(yīng)的車規(guī)級MCU芯片，截止目前國內(nèi)外尚未有此類車規(guī)級芯片面世。
據(jù)了解，TCAE31 MCU是泰矽微創(chuàng)新性的將壓力觸控和電容觸控融合形成單芯片解決方案的技術(shù)成果，其充分考慮了實(shí)際應(yīng)用中可能面臨的復(fù)雜變化要素，通過寬范圍實(shí)時動態(tài)補(bǔ)償結(jié)合智能演算法實(shí)現(xiàn)壓力檢測的持續(xù)可靠性。再結(jié)合電容觸摸通道，實(shí)現(xiàn)電容+壓感復(fù)合智能按鍵，可真正實(shí)現(xiàn)汽車應(yīng)用所需的高抗干擾，防誤觸，防水等高可靠性要求，適用于如智能表面、智能B柱、智能中控、智能Logo、智能門把手等復(fù)雜的車內(nèi)和車外應(yīng)用環(huán)境。
作為用于傳統(tǒng)機(jī)械按鍵或旋鈕的替代方案，TCAE31在提升用戶體驗(yàn)的同時可以簡化面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低成本。另外也具有防塵、防水、防靜電等防護(hù)功能，融合壓力和電容兩種檢測可以避免誤判，提高檢測可靠性。
泰矽微創(chuàng)始人熊海峰向筆者強(qiáng)調(diào)，TCAE31單顆芯片即可同時實(shí)現(xiàn)兩路壓力傳感和10路電容傳感，能夠在實(shí)現(xiàn)高性能的同時兼顧對功耗的良好控制。
此外，在成本方面也是其優(yōu)勢所在。泰矽微研發(fā)的車規(guī)壓力和電容觸控二合一雙模芯片性價比較高，配合車規(guī)級壓力觸控薄膜傳感器，整體成本與傳統(tǒng)國外品牌純電容觸控芯片價格相當(dāng)，但整體可靠性和人機(jī)交互體驗(yàn)提升一大截，具有很高的性價比。
除了芯片，泰矽微同時還可以為客戶提供全方位的用于評估、測試、生產(chǎn)的軟硬件平臺，涵蓋芯片評估、垂直方案、生產(chǎn)以及仿真調(diào)試下載工具等，可以簡化代碼開發(fā)，助力客戶實(shí)現(xiàn)高效的產(chǎn)品開發(fā)和導(dǎo)入。泰矽微也可以根據(jù)客戶特定項(xiàng)目提供從原理圖到PCB到EMC 測試的完整方案，進(jìn)一步縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。
可以看到，相較于國外供應(yīng)商，泰矽微不僅可以提供更具技術(shù)優(yōu)勢的雙模觸控MCU，并且在供貨與支持方面都更有保障，能夠提供原廠保供和原創(chuàng)直接技術(shù)支持。
正因?yàn)槿绱耍赥CAExx-QDA2芯片推出后，很快在各類汽車智能按鍵應(yīng)用中得到了多個整車廠和Tier1廠商的認(rèn)可與方案導(dǎo)入。目前已有超50家各類汽車客戶和主機(jī)廠進(jìn)入實(shí)質(zhì)開發(fā)階段并有多個定點(diǎn)項(xiàng)目，最早預(yù)計(jì)將于年內(nèi)導(dǎo)入量產(chǎn)。
值得關(guān)注的是，在剛剛舉辦的第十二屆“松山湖論壇”上，泰矽微TCAE31A-QDA2還是本屆論壇本土創(chuàng)新IC新品推介產(chǎn)品之一，可見其實(shí)力和價值正在得到市場和客戶的認(rèn)可。
熊海峰透露，基于已有成績，目前泰矽微也在圍繞智能觸控開展下一代產(chǎn)品研發(fā)，在兼容通用觸控MCU芯片的同時，進(jìn)一步融入更多的功能，提升芯片集成度，在人機(jī)交互方面給予用戶更好的體驗(yàn)，引領(lǐng)車規(guī)觸控芯片市場。
寫在最后
據(jù)IC Insights統(tǒng)計(jì)，整體MCU市場在2021年的平均售價（ASP）上漲12%，創(chuàng)下25年來的最大漲幅記錄。
MCU市場歷史與未來預(yù)測（圖源：IC Insights）
在經(jīng)歷過2021年全面大缺貨后，近期消費(fèi)類電子市場看到了較為明顯的過剩，消費(fèi)類MCU市場拉貨動能趨緩。然而，相比消費(fèi)市場需求疲軟，以汽車為代表的高端應(yīng)用場景的電子需求還在持續(xù)提升，尤其是車用MCU產(chǎn)品景氣度依舊較高。
IC Insights發(fā)布的《McClean》報告指出，今年汽車MCU的增長將超過其他大多數(shù)終端市場，預(yù)估達(dá)215億美元，年增10%，續(xù)創(chuàng)歷史新高。其中，車用MCU比重達(dá)40%，且為未來5年增速最快的應(yīng)用市場。
綜合來看，目前全球MCU市場已出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性失衡，消費(fèi)市場MCU需求有所下降，但部分高端MCU市場依然處于短缺狀態(tài)，車規(guī)級MCU首當(dāng)其沖。基于車規(guī)MCU的戰(zhàn)略重要性、稀缺性，出于供應(yīng)鏈安全考慮，國內(nèi)客戶對使用國產(chǎn)芯片的意愿不斷增強(qiáng)，越來越多的主機(jī)廠傾向于優(yōu)先選擇可用的國產(chǎn)MCU芯片。
在此過程中，由于國產(chǎn)替代主要對標(biāo)的是國際大廠，對產(chǎn)品質(zhì)量的把控，以及在可靠性上持續(xù)的優(yōu)化分析能力尤為關(guān)鍵，其他還包括敏銳的客戶服務(wù)意識、深入的客戶支持、提供整體解決方案的能力和足夠的資金支持，都是取勝的關(guān)鍵要素
在此趨勢和機(jī)遇下，隨著TCAExx-QDA2系列的正式量產(chǎn)及車廠的產(chǎn)品導(dǎo)入，意味著泰矽微在實(shí)現(xiàn)車規(guī)級MCU國產(chǎn)替代方面取得了顯著進(jìn)展，并實(shí)現(xiàn)了"自我造血"能力。
泰矽微的突破也代表著國產(chǎn)MCU的突破。接下來，國產(chǎn)MCU應(yīng)在市場需求和國產(chǎn)替代的雙重契機(jī)下，集中力量進(jìn)一步加大在車規(guī)級芯片領(lǐng)域的投入和創(chuàng)新力度，實(shí)現(xiàn)車規(guī)MCU的新突圍，并有序邁入國際市場，在競合關(guān)系中再上新臺階。
來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察 作者：李晨光
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