【哔哥哔特导读】高集成化的芯片成为当下MCU领域研发和市场布局的重点，但是在实际应用中仍然面临散热等痛点问题，MCU厂商是如何解决和优化这些痛点？
随着全球工业自动化、智能制造和绿色发展的不断推进，中国电机行业正站在新一轮技术变革的风口浪尖。
在电机领域的MCU应用上，一方面市场竞争进入竞争白热化阶段，各厂商从多维度加码产品升级，以推动提升市场占有率;另一方面，下游整机厂商对MCU等元器件的需求越来越精细化、方案化，这也使得上游厂商在设计和推广MCU产品时需要更贴合市场前沿趋势。
那么，如今MCU产品在电机应用领域的发展趋势是怎样的?MCU市场从红海竞争又将分化出哪些细分领域?MCU未来新的增长点会是什么?
带着这些问题，在2024中国(秋季)电机智造与创新应用暨电机产业链交流会期间，我们与元能芯、灵动微、睿兴科技等MCU厂商，以及部分整机厂商进行了交流。
图注：2024中国(秋季)电机智造与创新应用暨电机产业链交流会现场
01 | “大功率、小体积”的集成芯片方案，已是电机应用趋势?
集成化，是如今电机市场对MCU产品最明显的需求点。
在受访的下游整机厂商中，小熊电器相关人员表示：“现在我们做的家电产品体积越来越小，因此需要芯片集成度越来越高;我们也观察到目前元器件厂商推出的主流BLDC产品集成化趋势越来越明显，算法趋于简单，这将大大降低整机厂商开发的难度和周期。我们希望未来能通过一个芯片集成化全部元器件，实现‘大功率、小家电’。”
和而泰产品经理唐祥也表示，目前传统工具类行业已经相对成熟，新的增量或将来自于应用于新兴领域的大功率、大电流器件类产品。
采访中，多家MCU厂商均共性认为，集成化、高性能、稳定性强是如今市场对MCU产品及相关方案的主要需求。
集成化，是MCU、驱动乃至功率器件的封装集成，以简化硬件电路，降低成本。值得注意的是，集成化并不意味着简单的芯片组合，而是系统性的集成化方案整合。
笙泉科技产品企划行销部专案经理王骏维表示：“越来越多客户选择采购整体集成化方案，而非以往情况只采购MCU。对于客户来说，因为不同元器件参数不同，单独采购元器件后还需要方案调试;而集成化方案下，整合元器件进行了系统性方案配备，客户可以直接导入集成化方案而无需重新调试。这也要求MCU厂商不仅能提供产品，还要能提供完整的集成化方案。”
多家MCU厂商也提到，如今下游客户的需求正在明显从MCU产品转向综合类的集成化方案。如今市面上主流的电机驱动MCU产品没有明显的性能代差，未来产品竞争将更聚焦于集成化方案上。
在集成化方案应用中，高性能、高可靠性、多应用和低功耗是4个主要目标。
02 | 实现集成化方案下的高性能+高可靠性+低功耗，MCU厂商有哪些思路?
在追求集成化方案高性能实现的道路上，现场MCU厂商为我们指明了一些集成化的关键方向。
来自元能芯的市场总监王磊介绍，当前元能芯All in One系列产品通过设计较小的内阻、精简外围电路，展现大电流、单面板、高功率密度的优势，功率范围在十几瓦到50瓦不等，与市面上ASIC方案相比拥有2-3倍的功率优势，因此具有更高性能、更灵活的控制方式、更广泛应用领域。
All in One系列能有效解决终端在散热和电路板面积等难题，解决终端设备因过热而引发产品故障、寿命缩短的问题，满足终端设备小型化的需求，客户可以快速生产出性能稳定、高良率的产品。
灵动微电子市场经理邬正鑫介绍，公司研发的SPIN080G，在200V三相N沟道栅极驱动器的基础上再设计了内置DC/DC支持电压，进一步满足更偏高压的园林工具应用。
笙泉科技则是从马达控制升级到BLDC控制，增加了70-80%的转换效率，以提高输出功率。
此外，集成化方案的高可靠性也是在集成化应用中非常重要的。
很多厂商均表示，如今MCU的集成化产品在电机驱动应用领域的主要技术难点是实现集成化方案性能的稳定性。
元能芯王磊表示：“一款高集成化电机IC，要实现电机的运转和功能开发并不难，但是一万次、十万次都能持续稳定性能，就不是那么容易，需要长期且大量的算法优化来实现。基于此，元能芯通过将算法和系统级方案整合到芯片内部，未来还将把AI元素融入到芯片内部，实现AI模型下的电机调机，以快速匹配电机应用中的最佳参数。”
睿兴科技研发总监萧经华认为，随着电压提升，元器件的耐压度和耐受程度将会有所下降，理论上需要体积更大的元器件来维持性能的稳定。但是在集成化方案下，可以通过高算力来计算电压坡度、功率等等，并对电机和电池进行智能集成化，以达到更好的集成化性能和更强的集成化稳定性。
冲击高压应用中空调市场的笙泉科技则是从原材料方面来提高集成化芯片的性能稳定性。王骏维表示，笙泉科技在这个赛道选定的制程的工作温度可以高达125℃，实际应用场域在工规-40-105℃，这相对晶圆来说虽然成本更高，但是集成化下的稳定性更好。
高性能下的低功耗，也是如今MCU领域在集成化方案发展的技术前沿方向。
赛元微电机产品线产品经理王谦敏认为，集成化趋势下电机的增效与节能一方面要求外围功率器件的功耗提升和电源管理效率提升，另一方面要求集成化MCU在驱动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。
萧经华认为，当下产品功率越来越高，尤其是集成化方案芯片下，功耗也会相应提高，因此未来集成化MCU趋势之一将是高压下的低运行功耗。
王骏维也表达了类似的观点，“例如笙泉科技帮客户开发的暴力风扇产品，我们通过优化集成化MCU控制，不仅使整个电机效率更高，也能实现集成化下更加节能省电。”
03 | 芯片集成化下，散热难题将如何解决?
与此同时，在集成化、小型化趋势下，随着芯片集成化程度的提高，元器件内部发热量急剧增加，而有效散热空间严重不足，这使得散热问题成为集成化元器件进一步向高功率方向发展的瓶颈。
具体来说，目前在集成化方案市面主流方法是采用先进封装方式。
王磊介绍了元能芯是如何通过先进的封装方式来减少发热，“传统的封装方式主要是通过铜互联或铝互联的打线方式使芯片连接在一起，我们采用先进封装--面板级封装FOPLP，让多个芯片通过PCB基板的方式整合在一个小模块上，可有效降低功率损耗，以提高散热效率，这样可使芯片的体积更小、更轻薄。”
与此同时，王磊介绍：“元能芯持续坚持采取以BOM级替换来代替Pin to Pin替代，我们不选择简单的插拔替换方式，而是以帮助客户优化功能为前提，可以根据客户的需求把外围相关器件集成到芯片内部，打造满足客户特定需求的智能功率系统。”
另外，行业内也有在集成化的封装中采用各种形式的冷却、顶部放置 TIM(热界面材料)来帮助冷却等集成化方案的案例。
Synopsys EDA 集团产品管理总监 William Ruby在公开报道中提到，有很多方法可以消除系统中的热量，例如强制液体冷却，“我们看到一些更先进的封装取得了许多进步。通过3D-IC设计，可以采用强制气流和液体冷却。有一些关于能够通过特殊通孔减轻热量以帮助扩散的新概念。
总的来说，目前国内MCU厂商在高集成化芯片领域已经基本解决了小功率状态下的散热问题，而当功率到一定级数后散热问题暂时还未得到彻底解决。如何解决集成化下大功率下的散热问题，或许将是未来MCU集成化趋势下的技术发展重点。
04 | 高集成化芯片高效调试与定制化，如何实现?
除了散热问题外，当下集成化面临的另一个痛点是集成化方案的调机。
在应用过程中，如果需要单独元器件的参数调试优化，对于高集成化芯片相关厂商来说不仅比较复杂，还会带来额外成本。
面对这种市场痛点，赛元构建了MotoMatrix 电驱平台的系统集成化方案，目标是为用户提供易用、标准、开放的电驱生态平台，提升开发效率，降低开发门槛。系统集成化，在电机驱动芯片上集成化更多的外设资源，将电机驱动与外围控制放在一颗芯片和一套软件中，以最大化利用芯片的资源。
赛元微电机产品线产品经理王谦敏介绍，MotoMatrix 平台在赛元电驱 MCU 及集成化产品上，构建了标准化、开放的MotoMatrix算法库，将内环核心、外环控制、应用接口等进行深层次解耦和分级，并将有感、无感、方波、FOC进行了整合统一，为用户提供标准、统一的接口。
“在此基础上，赛元自主研发了MotoMatrix Studio软件平台，提供图形化、建议的开发调试工具，如硬件配置、硬件检测、速度曲线、在线调试、实时监测等，方便用户进行系统调试和故障排除。”
王磊介绍，元能芯旨在通过创造高效集成化芯片，加速绿色能源的替代，助力全球环保和能效提升，倡导高效低能耗电机整体解决方案。协助将传统电机向高效节能电机的升级，主打MetaOne智能功率系统平台(MCU+Driver+MOSFET)，为“风”(风机)、“器”(电动工具)、“乘”(电动出行)、“居”(大小家电)等领域提供产品和全栈式解决方案。MetaOne平台可辅助客户跨越电机技术的的升级，协助客户进行快速调机、提供加密烧录、及为客户方案做二次开发。以创新型方案协助客户产品的升级，并降低产品价格，达成与客户的合作双赢。
对于定制化需求，邬正鑫也表示，灵动微希望在集成化趋势下，未来能与电机厂商做更多产品研发的配合，“我们观察到，已经有一些电机厂商的产品所设置的芯片并不是通用芯片，而是以电机为本体，去选择更有针对性的芯片。在这种情况下，对于MCU厂商来说，一方面要把通用市场的产品系列铺得更满，另一方面要与电机厂商开展合作，以提供更针对性产品。”
05 | 小结
近几年，高集成化的芯片一直是MCU领域的热门领域，体积小、高性能的高集成化芯片更适配于如今对电机产品的需求。
我们发现，高集成化的芯片不仅从概念变成了产品，还在使用过程中不断优化性能、减少功耗，满足下游市场产品性能提升和优化的需求。而在这其中，作为高集成化芯片的核心控制单位MCU，对集成化方案的优化起到了关键作用。
在此次采访中可以感受到，在集成化趋势下，如今MCU厂商与电机厂商共同研发、整合方案的情况越来越多，集成化产品也更加贴近整机产品需求。
但是，散热问题、调试难、功能稳定性仍然是当下高集成化芯片应用面临的主要痛点，而这也将成为未来集成化芯片的技术增长空间和市场突破口。
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