车规级触控MCU，迎来新蓝海

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　　当前，汽车行业正在进行一场变革。电动化，智能化，网联化已成为汽车行业的长期演进趋势，从内燃机到纯电驱动，从分布式架构向集中控制域，汽车正变成继电脑、智能手机之后第三代大型移动智能终端。
　　这一变革将引发一系列产业链连锁反应，带动汽车半导体市场迎来新一波的爆发。IHS Makit数据预测，随着汽车电子需求持续旺盛，预计汽车半导体市场规模将于2030年达到1100亿美元。其中，MCU作为汽车电子控制系统的核心，在车内应用十分广泛，涵盖车身控制、信息娱乐系统、驾驶辅助、动力总成控制等各个领域。在当前汽车＂四化＂趋势下，车规级MCU迎来了巨大的增量需求。
　　在传统燃油车上，单车MCU用量大约在50-100颗，而智能电动汽车有望实现翻倍甚至更多。据IC Insights预测，2023年全球车规级MCU市场规模将有望增长至88亿美元。
　　其中，汽车智能化的发展推动人机交互方式的革新，车内传统按键向智能按键以及智能表面的转变成为新的发展趋势。
　　例如车钥匙应用中，传统的机械按键替代为压力按键可以实现全防水设计；汽车座舱也开始从传统静态表面快速朝着集成了座椅调节、智能B柱、车内氛围灯及影音娱乐等控制功能于一体的智能表面方向发展。
　　智能触控按键除了提供传统机械按键的功能外，还打造了无实体按键、一体化、防误触的座舱人机交互界面，实现更高级、极简又更人性化的设计需求，提升驾驶员和乘员的用户体验。此外，在结构件的小体积轻量化方面也显示出越来越明显的优势。
　　从目前市场现状来看，汽车中应用压感触控按键只替代了部分机械按键功能，单车替代率还不足25%。车内传统机械按键部分如方向盘、车灯、雨刷、座椅、车窗、空调、娱乐中控、门把手、启动/停车、智能Logo，还有阅读灯/天窗等顶部控制器以及挡位控制、脚踢控制器按键等几十个按键，都正在逐渐由机械开关向智能开关的方向演变。
　　可以预见，未来两三年车载智能触控领域有望迎来爆发式的增长。这一系列应用场景的变革均加大了汽车对智能触控MCU的需求，据相关数据测算，现阶段单车上的触控MCU平均用量大概在4-5颗，未来有望增长到20颗以上，正在催生出一片新蓝海市场。
　　触控MCU的挑战和趋势
　　基于车规级MCU较高的设计门槛和对产品开发能力的高要求，相比通用MCU，目前车规级MCU供应商数量较少。从当前车规级触控MCU市场来看，供应商以英飞凌、Microchip等海外大厂为主，触摸开关大多是基于纯电容方案进行的参考设计。
　　然而，有业内人士向笔者表示，从实际应用中的体验和感受来讲，纯电容触控MCU方案在检测灵敏度、防水性、防误触和电磁干扰（EMI）方面存在不足和优化空间。
　　灵敏度方面，希望触摸电极的设计能有最小的对地寄生电容，这样在触摸状态下会产生更大的相对电容量变化，灵敏度高；在防水和防误触方面，当液体与电容式传感器发生接触时，电容值会增加，很容易造成触控反馈的误判。
　　EMC抗干扰上，特别是抗射频干扰方面，希望触摸电极有低的对地阻抗，以减少射频能量的接收。一般的做法是在触摸电极周围加地线屏蔽环或在PCB的另一面加地屏蔽层，但这势必会增加对地寄生电容降低灵敏度，与上述灵敏度的要求是背离的。另外，在汽车电子应用中，触摸电极往往是单层的ITO或其它薄膜形式，增加地屏蔽层不可实现，这进一步增加了EMC设计的难度和复杂性。
　　综合来看，单纯的电容触控会由于身体的无意触碰、覆盖水滴或者受到外部噪声或电磁干扰等都可能会产生误触发。因此，要实现可靠的电容触摸按键功能需要硬件方面经验的积累和软件算法的多轮优化，最终往往是多个性能指标、可靠性和抗干扰方面的折衷方案。
　　面对这些技术挑战，引入两种不同的检测方式则可以大大简化硬件和软件发面的设计难度，在实现高灵敏度的情况下也可以满足抗干扰性能实现可靠的触摸检测。当前，通过压力传感器+电容触控的技术整合成为了汽车压感触控的创新技术方案，高灵敏度的压力检测用于识别按压动作，电容触控用于按压位置的定位，两者是＂与＂的关系。
　　采用压力触控和电容触控融合的双模方案存在诸多优势，能很好的解决上述挑战：
　　防水效果好：水流容易造成电容误触但难以造成压力触控的误触，压力和电容采用＂与＂的方式，水滴或水流同时触发的概率显著降低。另外，通过两种方式产生触发的精确时间和波形形态进行二次软件算法滤波与判断，可完全杜绝由于水造成的可能的误触现象。
　　降低误触：压力+电容触控可消除由于静电、干扰以及无意触碰等导致的误触现象，大大提高可靠性。
　　EMC测试更易通过：压力检测是差分输入，内在对共模干扰有很好的抑制作用，加上电桥等效阻抗低，接收干扰的功率低，抗电磁干扰的性能优异。电容电极类似天线，较容易受到干扰，EMC较难通过，但实现成本低。通过结合压力和电容可以发挥两者各自的优势，缩短开发和测试周期。
　　压力检测装配方式灵活：可以采用表贴也可以采用悬臂梁，简支梁等结构，使用简易。
　　综合来看，双模触控方案具有高可靠性、应用简单以及性价比高等诸多优势，在这场人机交互的变革中，双模汽车压力触控技术将扮演起不可或缺的角色，进而带动车载智能触控产业链技术的创新发展。
　　车规级双模触控MCU，本土厂商新突破
　　从MCU产业模式来看，传统的汽车电子MCU供应商以IDM为主，而基于以往半导体市场盛衰周期的经验，IDM厂商在扩产时会考虑产能利用率和投资回报，扩产相对谨慎，在新的技术浪潮下，新产能投资缓慢。从几个主要MCU 厂商发布的信息来看，随着当下市场需求的快速增长，整个车规级MCU供应状况更加紧张，今年二三季度车规级MCU的价格将有新一波的上涨，货期也在继续拉长，这一趋势预计还会持续较长时间。
　　因此，面对车规级触控MCU向更具技术优势的双模MCU转变趋势，以及该市场的增量需求，英飞凌、Microchip等国外大厂开始变得＂束手无力＂。一方面，他们尚不能提供创新性的车规级双模触控MCU产品；另一方面，国外大厂在产能、交货周期以及价格和技术支持方面都存在挑战。目前客户端都在积极的寻找替代方案，以满足快速增长的需求。
　　同时，在近两年一系列汽车供应链危机的警醒下，越来越多的自主车企从提升供应链安全的角度考虑，开始有意识地培养本土供应商，这也给了国内芯片企业很好的展示机会。加之芯片持续短缺，也在一定程度上倒逼本土企业自主突围，多重因素的叠加作用下，为本土芯片供应商提供了良好的发展契机。
　　针对车用触控MCU，国内芯片厂商近年来也在积极布局，不断取得新突破。
　　作为本土智能触控芯片赛道的代表厂商，泰矽微今年3月正式量产了专用于汽车智能表面和智能触控开关的TCAE31-QDA2和TCAE11-QDA2两款专用MCU芯片，可以部分解决触控专用MCU市场供应不足，替代品少的问题，两款芯片均已通过AEC-Q100 Grade 2完整的可靠性认证测试。
　　其中，TCAE11是纯电容触摸的芯片，支持最多10路的电容触摸通道，功能上方面可以完全替代国外品牌；而TCAE31则是全球首款同时支持电容触控和压力感应的车规级MCU芯片，截止目前国内外尚未有此类车规级芯片面世。
　　据了解，TCAE31 MCU是泰矽微创新性的将压力触控和电容触控融合形成单芯片解决方案的技术成果，其充分考虑了实际应用中可能面临的复杂变化要素，通过宽范围实时动态补偿结合智能演算法实现压力检测的持续可靠性。再结合电容触摸通道，实现电容+压感复合智能按键，可真正实现汽车应用所需的高抗干扰，防误触，防水等高可靠性要求，适用于如智能表面、智能B柱、智能中控、智能Logo、智能门把手等复杂的车内和车外应用环境。
　　作为用于传统机械按键或旋钮的替代方案，TCAE31在提升用户体验的同时可以简化面板结构设计，降低成本。另外也具有防尘、防水、防静电等防护功能，融合压力和电容两种检测可以避免误判，提高检测可靠性。
　　泰矽微创始人熊海峰向笔者强调，TCAE31单颗芯片即可同时实现两路压力传感和10路电容传感，能够在实现高性能的同时兼顾对功耗的良好控制。
　　此外，在成本方面也是其优势所在。泰矽微研发的车规压力和电容触控二合一双模芯片性价比较高，配合车规级压力触控薄膜传感器，整体成本与传统国外品牌纯电容触控芯片价格相当，但整体可靠性和人机交互体验提升一大截，具有很高的性价比。
　　除了芯片，泰矽微同时还可以为客户提供全方位的用于评估、测试、生产的软硬件平台，涵盖芯片评估、垂直方案、生产以及仿真调试下载工具等，可以简化代码开发，助力客户实现高效的产品开发和导入。泰矽微也可以根据客户特定项目提供从原理图到PCB到EMC 测试的完整方案，进一步缩短产品开发周期。
　　可以看到，相较于国外供应商，泰矽微不仅可以提供更具技术优势的双模触控MCU，并且在供货与支持方面都更有保障，能够提供原厂保供和原创直接技术支持。
　　正因为如此，在TCAExx-QDA2芯片推出后，很快在各类汽车智能按键应用中得到了多个整车厂和Tier1厂商的认可与方案导入。目前已有超50家各类汽车客户和主机厂进入实质开发阶段并有多个定点项目，最早预计将于年内导入量产。
　　值得关注的是，在刚刚举办的第十二届＂松山湖论坛＂上，泰矽微TCAE31A-QDA2还是本届论坛本土创新IC新品推介产品之一，可见其实力和价值正在得到市场和客户的认可。
　　熊海峰透露，基于已有成绩，目前泰矽微也在围绕智能触控开展下一代产品研发，在兼容通用触控MCU芯片的同时，进一步融入更多的功能，提升芯片集成度，在人机交互方面给予用户更好的体验，引领车规触控芯片市场。
　　写在最后
　　据IC Insights统计，整体MCU市场在2021年的平均售价（ASP）上涨12%，创下25年来的最大涨幅记录。
　　MCU市场历史与未来预测
　　（图源：IC Insights）
　　在经历过2021年全面大缺货后，近期消费类电子市场看到了较为明显的过剩，消费类MCU市场拉货动能趋缓。然而，相比消费市场需求疲软，以汽车为代表的高端应用场景的电子需求还在持续提升，尤其是车用MCU产品景气度依旧较高。
　　IC Insights发布的《McClean》报告指出，今年汽车MCU的增长将超过其他大多数终端市场，预估达215亿美元，年增10%，续创历史新高。其中，车用MCU比重达40%，且为未来5年增速最快的应用市场。
　　综合来看，目前全球MCU市场已出现结构性失衡，消费市场MCU需求有所下降，但部分高端MCU市场依然处于短缺状态，车规级MCU首当其冲。基于车规MCU的战略重要性、稀缺性，出于供应链安全考虑，国内客户对使用国产芯片的意愿不断增强，越来越多的主机厂倾向于优先选择可用的国产MCU芯片。
　　在此过程中，由于国产替代主要对标的是国际大厂，对产品质量的把控，以及在可靠性上持续的优化分析能力尤为关键，其他还包括敏锐的客户服务意识、深入的客户支持、提供整体解决方案的能力和足够的资金支持，都是取胜的关键要素
　　在此趋势和机遇下，随着TCAExx-QDA2系列的正式量产及车厂的产品导入，意味着泰矽微在实现车规级MCU国产替代方面取得了显著进展，并实现了＂自我造血＂能力。
　　泰矽微的突破也代表着国产MCU的突破。接下来，国产MCU应在市场需求和国产替代的双重契机下，集中力量进一步加大在车规级芯片领域的投入和创新力度，实现车规MCU的新突围，并有序迈入国际市场，在竞合关系中再上新台阶。
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