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传感器和MCU结合在未来大有可为

时间: 2024-02-03 来源:碳化硅管系列

  ,并能将感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求的

  传感器的种类很多,按照不同的功能,不同的适用领域可以划分多种类型。其中,温度传感器是最早开发、应用最广的一类传感器。

  从17世纪初,人们就开始利用温度计做测量,而真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的,这就是后来的热电偶传感器。在半导体得到充分发展后,相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应,根据波与物质的相互作用规律,相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。

  我国的传感器发展已经经历了50多个春秋,20世纪80年代,改革开放给传感器行业带来了生机与活力。目前来看,传感器的应用已经遍及到工业生产、海洋探测、环境保护、医学诊断、生物工程等多方面的领域,现代化项目不能离开传感器的应用。   目前我国已有上千家从事传感器的生产和研发的企业,在经济全球化趋势下,随着我们国家的投资环境的改善已经对传感器技术的全力支持,各国传感器厂商纷纷涌进我国的传感器市场,使得国内的传感器领域的竞争日趋激烈。于此同时,强烈的技术竞争必然会导致技术的快速的提升,促进我国传感器技术的快速进步,未来的传感器会向着小型化、多功能化、智能化、集成化、系统化的方向发展。

  传感器与MCU密不可分,并且今后会慢慢的紧密,甚至二合为一,变成智能传感器,这个趋势已经在进行中。   传感器作为电子科技类产品的“感知中枢”,在消费电子、工业、医疗、汽车等领域的应用愈来愈普遍。由于慢慢的变多地应用于智能电网、智能交通、智能安防等领域,传感器在基本功能之外,开始慢慢的变多地承担自动调零、自校准、自标定功能,同时具备逻辑判断和信息解决能力,能对被测量信号进行信号调理或信号处理,这就需要其拥有越来越强的智能处理能力,也即朝着智能化的方向发展。

  同时,随着物联网技术的进步,传感器智能化的信息处理能力也变得越加重要。因为不可能将所有运算都放到云端完成,网络的各个节点也要完成各自的运算任务。

  因此,传感器和微处理器(MCU)结合、具有各种功能的单片集成化智能传感器已成为传感器技术发展趋势之一。

  未来MCU的发展将对智能传感器的演进起到协同效应,传感器和微处理器(MCU)结合在未来大有可为。

  根据ICInsights最新发布的全球半导体市场预测,尽管各个半导体细分市场此消彼长,但2022年整体增长仍保持在11%,销售额达到创纪录的6807亿美元。其中模拟器件、逻辑器件和传感器/致动器市场的增长达到或超过11%,而光电-传感器-分立器件(O-S-D)市场增长则低于平均(约为9%)。

  具体到IC市场,2022年整体规模将达到5671亿美元,其中微处理器的增长从年初的预期7%调整为11%,主要增长来自嵌入式MPU应用(包括MCU)和移动通信应用处理器。

  再看我们关注的MCU市场,IC Insights预测全球MCU市场规模今年将增长10%,达到215亿美元,其中汽车MCU的增长尤其突出。

  预计从2021至2026年,全球MCU市场的年复合增长率为6.7%,到2026年将达到272亿美元。其中32位MCU的增长位9.4%,到2026年将超过200亿美元,而4/8/16位MCU市场只有很小的增长。

  就MCU应用市场来看,46%的需求来自通用嵌入式应用(比如手机、计算机及外设,工业应用,以及消费电子),40%来自汽车电子,剩余的14%来自智能卡市场。

  未来5年,汽车MCU的增长约为7.7%,将是整体MCU市场增长的最大驱动力。全球MCU市场的增长对国产MCU厂商来说本应是好事,但由于手机、PC和消费电子市场的需求疲软,再加上2021年晶圆产能和订单的疯抢,导致今年上半年MCU慢慢的出现库存积压问题,这对以传统消费和家电应用市场为主的国产MCU厂商来说将是一个很大的挑战。

  由于中国物联网和新能源汽车行业等市场的迅速增加,下游应用产品对MCU的需求将继续保持旺盛增长,而中国MCU市场的上涨的速度也将继续领先全球。   据前瞻产业研究院预计,2021-2026年,中国MCU市场规模将保持8%的速度增长,其中2021年约为365亿元,至2026年将达到513亿元。新能源汽车应用包括汽车驾驶信息系统、油门控制管理系统、自动泊车、先进巡航控制、防撞系统等ADAS系统,对32位MCU芯片的需求量将大幅度提升。车载、工控和新兴物联网应用将是中国MCU市场未来增长的主要驱动力。

  汽车MCU有8位、16位及32位MCU,位数越多对应结构越复杂, 但解决能力越强,可实现的功能也就越多。8位MCU大多数都用在简单的车身控制,如空调、雨刷、门窗、座椅、低端仪表盘等;16位MCU大多数都用在中端的底盘和低端发动机控制,如制动、转向、悬架、剎车等;32位MCU大多数都用在高端的发动机和车身控制,如高端仪表盘、发动机、多媒体信息系统和安全系统等。

  一辆车平均需要50-100个MCU,现在的新能源车由于电池管理和电控功能的增加,需要更加多的ECU和MCU。电动车MCU的平均单价要高于燃油车,高算力与安全等级较高的车规 MCU 单价更高。例如,恩智浦和英飞凌几款用于车身控制或安全等级较低的动力系统的 MCU单价较低,而瑞萨德州仪器用于安全等级较高的BMS、EPS及车身稳定等系统的 MCU单价较高,最高达到35.6 美元。

  相较于消费和工业级MCU,车规级MCU对运行环境、可靠性和供货周期的要求比较高,主要 体现在:

  1.环境要求。汽车芯片的工作环境更复杂,有高振动、多粉尘、多电磁干扰、温度范围宽(-40~155℃)等要求;

  2.可靠性要求。汽车设计寿命一般在15年或20万公里,整车厂对车规级 MCU的要求要达到零失效;

  3.供货周期要求。车规级MCU的供应周期需要覆盖整车的全生命周期,供货周期一般为 15~20年;

  4.重新认证要求。在工业 MCU上执行很多微小的工艺变化都不需要对MCU进行重新认证,但汽车MCU则有必要进行重新认证。   车规级MCU的认证门槛比较高,认证时间长、进入难度大。MCU供应商在进入整车厂的供应链体系前,一般需符合三大车规标准和规范:在设计阶段要遵循的功能安全标准 ISO 26262,在流片和封装阶段要遵循的AEC-Q001~004和IATF16949,以及在认证测试阶段要遵循的AEC-Q100/Q104。其中,ISO 26262定义了ASIL四个安全等级,从低到高分别为A、B、C和D;AEC-Q100 分为四个可靠性等级,从低到高分别为 3、2、1和0。AEC-Q100 系列认证通常要1-2年的时间,而ISO 26262的认证难度更大,周期更长。

  车规级MCU相较通用MCU芯片也有更多技术方面的要求,包括:集成数据加密模块,并具有全局存储器保护功能;专用的PWM、比较捕获单元及定时器;灵活的端口功能配置;的备份和鲁棒性及严谨的时序约束;模拟模块的宽温度范围的指标控制,自校准技术指标的控制等。   尽管全世界汽车MCU市场的需求量开始上涨比较乐观,但供应大多分布在在NXP、英飞凌、ST、瑞萨和TI等国际巨头,国产MCU厂商进入全球主流汽车MCU供应链的难度仍然很大。然而,国内新能源汽车的迅速增加为车身控制和动力安全MCU的国产替代创造了巨大空间。无论燃油车还是电动车,一辆车都需要20个左右的车身控制MCU。动力安全MCU由于认证时间比较久,研发难度较大,国产厂商占比目前几乎为 零,但自主可控的需求迫切,国内整车厂商会和Tie1厂商指定国产MCU供应商,从而加速国内MCU厂商升级和进入汽车供应链的步伐。

  此外,半导体景气周期有望覆盖车规级认证周期,为国产车规MCU芯片的发展创造良机。尽管晶圆厂已经从2020年底开始陆续扩产,但目前汽车“缺芯”问题仍未缓解。晶圆厂通常投产期需要1-2年,叠加设备交期被延长,预计此轮景气周期将至少持续到2023年,这将为国产厂商的车规MCU提供导入验证的最佳时期。鉴于ISO 26262认证常常要2-3年,且在设计时就开始做,对那些已经通过AEC-Q100认证并较早进行ISO 26262认证的国产厂商来说,此轮景气周期将为它们切入汽车市场提供充足的认证时间。

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