市場調(diào)查機構Omdia近期報告顯示，全球半導體市場增長幅度將由2021年的21.1%降至2022年的4.2%，增速趨于平緩。但汽車半導體市場仍將出現(xiàn)大幅增長，市場規(guī)模將由2021年的500億美元增至2025年的840億美元，IHS Makit則預測汽車半導體市場規(guī)模將于2030年達到1100億美元規(guī)模。非常明顯，汽車相關的需求方面依然處于旺盛狀態(tài)。與之相對應的供給方面，在經(jīng)歷過2021年全面大缺貨后，消費類電子市場看到了較為明顯的過剩，而各類車規(guī)芯片依然處于緊缺和漲價狀態(tài)。這其中，各類MCU因其品類繁多且用量巨大已成為車規(guī)芯片中的關鍵供應部件。Insights表示，去年由于市場供給吃緊，MCU 平均售價大增 10%，為近 25 年來最大的增幅，預計2026 年前 MCU 售價將逐年向上。以產(chǎn)值來看，2021 年MCU 產(chǎn)值激增 23% 達到了196 億美元，今年將持續(xù)成長，預估達 215 億美元，年增 10%，續(xù)創(chuàng)歷史新高。其中，車用 MCU 比重則達 40%，且為未來 5 年增長速度最快的應用。基于車規(guī)MCU的戰(zhàn)略重要性、稀缺性，越來越多主機廠傾向于優(yōu)先選擇可用的國產(chǎn)MCU芯片。本文將重點追蹤報道車規(guī)MCU中的觸控類芯片和方案。

觸控或壓力按鍵MCU 作為專用MCU 的一種，是汽車智能化發(fā)展關鍵的元件之一，由儀表，娛樂，空調(diào)等分離單元組成的傳統(tǒng)座艙快速向座艙域+ADAS域演變，中控大屏或貫穿式一體屏越來越多的出現(xiàn)在新款汽車產(chǎn)品中，用于控制空調(diào)和娛樂導航等功能的機械按鍵逐漸被智能按鍵替代，汽車內(nèi)飾智能表面，塑電一體化，電子和內(nèi)飾的融合等概念也在促進傳統(tǒng)的物理按鍵開關轉(zhuǎn)變?yōu)榈疆斚铝餍械闹悄荛_關或按鍵。智能按鍵除帶來新的用戶體驗外，在結構件的小體積輕量化方面也顯示出越來越明顯的優(yōu)勢。每輛車上觸控MCU的用量將從目前的平均4-5 顆快速增長到20-30顆。

從幾個主要MCU 廠家最近發(fā)布的信息來看，今年第二季度MCU的價格將有新的一波漲價，貨期也在繼續(xù)拉長，這一趨勢預計還會持續(xù)較長時間，分析原因主要有以下幾點：1、在汽車智能化、自動化、電動化趨勢下，汽車電子架構重構，MCU數(shù)量和算力需求不斷增加。數(shù)量的增加主要體現(xiàn)在新功能的加入，包括傳統(tǒng)機械功能向電氣化的轉(zhuǎn)變?nèi)鐧C械按鍵向智能按鍵的轉(zhuǎn)變;傳統(tǒng)底盤向線控底盤的轉(zhuǎn)變;LED替代白熾燈;氛圍燈的廣泛采用(由10顆到30顆);ADAS 相關的傳感器如圖像(由5顆增加到7顆到11顆)、毫米波雷達(3顆到7顆)、激光雷達(2到3個)、超聲波雷達(12顆)等數(shù)量的增加;新能源相關的主驅(qū)電機驅(qū)動、BMS、OBC、DCDC、PDU、PTC、電空調(diào)等， 網(wǎng)聯(lián)汽車需要的T-Box 和各種無線連接功能如藍牙、NFC、UWB 等。算力的提升主要來源于ADAS 相關AI大算力、智能座艙功能的升級;電氣架構從分布式向功能域和區(qū)域功能的集成也需要高算力的MCU 來實現(xiàn)各個域之間的高速互聯(lián)如Ethernet;軟件架構向Autosar 的轉(zhuǎn)變也帶來MCU 高性能的要求。所有這些演進還處在快速發(fā)展和需求快速增長的過程，離進入平臺期還有相當長的時間。無論數(shù)量的增加還是算力的提升體現(xiàn)在供應端都意味著晶圓需求成幾倍的增加。

2、供應鏈端擴產(chǎn)速度的限制

傳統(tǒng)的汽車電子MCU供應以IDM 為主， 晶圓廠是各個IDM 自建自用，基于以往半導體市場的榮枯周期的經(jīng)驗，IDM 在擴產(chǎn)時會考慮產(chǎn)能利用率和投資回報，擴產(chǎn)相對謹慎，在新的技術浪潮下，新產(chǎn)能投資緩慢。在最新一代高性能MCU 產(chǎn)品方面，傳統(tǒng)的IDM 也逐漸轉(zhuǎn)向Fablite 模式， 產(chǎn)能的增加也更多依賴Foundry 廠產(chǎn)能的提升 在晶圓代工和封測端，由于汽車電子對產(chǎn)品品質(zhì)和資質(zhì)要求的高門檻，符合車規(guī)級質(zhì)量體系和工藝能力的廠家數(shù)量有限，這也是產(chǎn)能提升有別于其它消費類和工業(yè)類市場的原因。另外在汽車電子需要的一些特色工藝上， 晶圓代工廠需要更長的開發(fā)時間。

3、Fabless 廠家在設計方面的學習曲線

產(chǎn)品滿足AEC-Q100 可靠性標準只是最低要求，汽車電子有其自身的一套從設計，生產(chǎn)到品控方面獨特的工程學方法，體現(xiàn)在IATF16949中，從APQP， FMEA， PPAP、MSA 到SPC需要一套系統(tǒng)的方法來滿足汽車電子產(chǎn)品的要求， 涉及安全的部分需要滿足ISO26262功能安全認證。涉及域控部分要滿足軟件Autosar 架構等， 整個體系對新進的Fabless 廠家來說有比較長的學習曲線。這也導致供應端的增加速度較慢。基于以上原因車規(guī)級MCU 的供應問題還會持續(xù)較長的時間，相比通用MCU車規(guī)級觸控MCU供應商數(shù)量更少，基本上集中在Microchip， Infineon 等廠家，隨著需求的快速增長預計整個供應狀況將比通用MCU更加緊張，持續(xù)時間也更長。目前在客戶端都在積極地尋找替代方案，以滿足快速增長的需求。

上海泰矽微基于設計，應用，工程和品控以及市場團隊在汽車電子半導體方面豐富的經(jīng)驗，經(jīng)過兩年多的研發(fā)和工程驗證于今年3月份正式量產(chǎn)了專用于汽車智能表面和智能觸控開關的TCAE11-QDA2和TCAE31-QDA2兩款專用MCU芯片，可以部分解決觸控專用MCU 市場供應不足，替代品少的問題，兩款芯片均通過AEC-Q100 Grade 2 完整的可靠性認證測試。該系列SOC芯片基于ARM Cortex-M0 內(nèi)核，主頻32MHz，內(nèi)置64KB Flash 和4KB SRAM，支持LIN總線通信，具備高抗干擾性和高達8kV HBM ESD性能，獨有的Tinywork外設聯(lián)動機制可以實現(xiàn)超低功耗。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。TCAE31是全球首款同時支持電容觸控和壓力感應的車規(guī)級MCU芯片，它在TCAE11 的基礎上增加了低噪聲電壓源，2級最高1024倍增益放大PGA, 高精度ADC，失調(diào)電壓動態(tài)補償?shù)入娐穯卧蓪崿F(xiàn)22 bits寬動態(tài)和最小uV級信號測量，適合于外接多種形式的電橋類傳感器用于壓力檢測和測量功能，適用于MEMS壓感，應變片壓感，及電阻壓感等多種壓力傳感器的信號調(diào)理和采集及算法處理，可以檢測微小變形量實現(xiàn)細顆粒度的識別算法。TCAE31充分考慮了實際應用中可能面臨的復雜變化要素，如由于裝配，溫度，濕度，老化，干擾等引起的參數(shù)變化，通過寬范圍實時動態(tài)補償結合智能演算法實現(xiàn)壓力檢測的持續(xù)可靠性。再結合電容觸摸通道，實現(xiàn)電容+壓感復合智能按鍵，可真正實現(xiàn)汽車應用所需的高抗干擾，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，智能門把手等復雜車內(nèi)和車外應用環(huán)境。泰矽微始終秉持高性能，高集成度及高可靠性的產(chǎn)品開發(fā)理念，配合泰矽微自主知識產(chǎn)權智能算法，可以提供領先的車用智能按鍵和智能表面解決方案。 泰矽微針對其它應用的車規(guī)級產(chǎn)品也在積極地開發(fā)中。基于量產(chǎn)的兩款芯片，泰矽微開發(fā)的幾個參考設計也陸續(xù)完成：

01：TCAE11 汽車閱讀燈觸摸控制參考設計

LED 閱讀燈目前已經(jīng)是新車的標準配置，閱讀燈開關有機械式和電容觸摸式;電容觸摸感應電極可以環(huán)繞LED 光源布置，不像機械開關那樣需要單獨的空間布置開關，觸摸開關可以覆蓋整個LED 光源的面積，人手觸摸到燈表面就可以實現(xiàn)燈的開關操作，不需要定位到開關的位置。由于去除了機械開關，閱讀燈表面造型設計靈活性，做到既美觀又實用，觸摸開關在閱讀燈上的應用越來越廣泛。

TCAE11 LED 閱讀燈參考設計如圖一所示，方案可以實現(xiàn)一個或兩個閱讀燈的控制，冗余的電容檢測通道用于實現(xiàn)防水，防電磁場干擾檢測等功能，實現(xiàn)高可靠的觸摸檢測。芯片附帶的UART 接口可以用于和BCM 之間的LIN 通訊， GPIO口可以用于LED 燈的控制，實現(xiàn)完整可靠的閱讀燈方案。

02：TCAE11車頂控制器中的應用

除了單獨的閱讀燈， 車頂控制器會集成更多功能如艙內(nèi)燈開光和控制功能， 車門燈，應急燈，后排座燈開光等功能。TCAE11 提供的多路GPIO口可以實現(xiàn)多路機械開關檢測和閱讀燈觸摸開關， 配合天窗控制單元實現(xiàn)車頂控制器的完整功能，如圖二。

要實現(xiàn)可靠的電容觸摸檢測需要硬件和軟件協(xié)同優(yōu)化，泰矽微在整體方案方面通過跟市場頭部客戶的緊密合作積累了豐富的經(jīng)驗，參考設計充分考慮了實際產(chǎn)品需要滿足的抗浪涌， 抗靜電，抗電磁干擾要求，客戶方案已經(jīng)通ISO11452， ISO7637， ISO16050 系列相關EMS 測試。

上述觸摸開關參考設計是基于純電容方案，設計面臨的主要挑戰(zhàn)是在檢測靈敏度，防誤觸和EMC方面的優(yōu)化和折衷;主要是在以下方面：

1. 在靈敏度方面，希望觸摸電極的設計能有最小的對地寄生電容，這樣在觸摸的狀態(tài)下，會產(chǎn)生更大的相對電容量變化，靈敏度高。2. EMS 抗干擾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，這勢必會增加對地寄生電容降低靈敏度和上述靈敏度的要求是背離的，這就要有個優(yōu)化和折衷的考慮。另外在汽車電子的應用中，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現(xiàn)，這進一步增加了EMS 設計的難度和復雜性。3. 其它優(yōu)化措施還包括跳頻模式的電容檢測、防抖動、動態(tài)基線調(diào)整算法等。但整體來講，要實現(xiàn)可靠的電容觸摸按鍵功能需要硬件方面經(jīng)驗的積累和軟件算法的多輪優(yōu)化， 最終的方案往往是多個性能指標和可靠性，抗干擾方面的折衷。如果引入兩種以上不同的檢測方式可以大大簡化硬件和軟件方面的設計難度，在實現(xiàn)高靈敏度的情況下也可以滿足抗干擾性能實現(xiàn)可靠的觸摸檢測， 泰矽微TCAE31 就是其中一種雙模方案，結合了電容觸控和壓力檢測， 兩種模式的融合可以實現(xiàn)更優(yōu)的智能按鍵并縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

03：TCAE31智能表面參考設計

該參考設計采用TCAE31 雙模檢測芯片，在下圖三中央扶手控制器頂部控制器的參考設計中，壓力檢測通道用于檢測面板的按壓狀態(tài)， 5個電容觸摸按鍵用于定位具體的按鍵，壓力檢測通道采用高靈敏度低阻抗的惠斯通電橋結構， 電信號采集通過芯片集成的差分采樣信號鏈通道，低阻抗加上差分信號檢測使得抗干擾性能明顯增強。同時由于有壓力檢測通道的加入，電容觸摸通道的靈敏度可以做的更高，并且不需要采用純電容模式經(jīng)常需要的屏蔽電極或冗余電極，電容觸摸通道的利用率更高，是多按鍵智能表面的理想解決方案。

圖三

在開發(fā)工具方面，泰矽微可以提供參考設計的完整文檔和相關開發(fā)工具SDK，可視化性能調(diào)優(yōu)工具等， 可以簡化代碼開發(fā)，助力客戶實現(xiàn)高效的產(chǎn)品開發(fā)和導入。泰矽微也可以根據(jù)客戶特定項目提供從原理圖到PCB到EMC 測試的完整方案，進一步縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

泰矽微TCAE11 和TCAE31 兩款產(chǎn)品目前已經(jīng)在多家Tier 1客戶的項目中采用，應用覆蓋閱讀燈，尾門Log 按鍵，智能中控面板，智能內(nèi)飾面板，門把手等。更多的參考設計也在陸續(xù)開發(fā)中，后續(xù)會陸續(xù)發(fā)布。

“泰矽微的核心團隊皆來自于全球頭部芯片商，包括Atmel，TI，On Semi，NXP等，在車規(guī)MCU方面具有深厚積累，我們正全面布局車規(guī)MCU及分離器件市場，后續(xù)還將持續(xù)推出各類極具競爭力的車規(guī)芯片” 泰矽微高級市場總監(jiān)朱建儒在接受采訪中介紹道。有理由相信隨著泰矽微向縱深方向發(fā)展，必將為車規(guī)芯片供應帶來更多國產(chǎn)力量的注入!

關于泰矽微上海泰矽微電子有限公司2019年成立于上海張江，是一家中國領先的高性能專用MCU芯片供應商。公司專注于物聯(lián)網(wǎng)應用相關的各類芯片的研發(fā)，已獲得多個知名投資機構的大力扶持與投資。公司聚集了一批頂尖的半導體專家，致力于發(fā)展成為平臺型芯片企業(yè)。團隊具有各類系統(tǒng)級復雜芯片的研發(fā)能力，所開發(fā)的芯片累計出貨達數(shù)十億顆。公司已在信號鏈、電源及射頻等方向積累了大量的MCU芯片方案，可覆蓋消費類，工控及汽車等應用領域。差異化的芯片產(chǎn)品在樹立行業(yè)標桿的同時，也將為更多物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)賦能，更好服務于客戶需求。

原文標題：國產(chǎn)車規(guī)級觸控MCU方案助力汽車智能按鍵應用

文章出處：【微信公眾號：MCU開發(fā)加油站】歡迎添加關注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

審核編輯：湯梓紅