市場(chǎng)調(diào)查機(jī)構(gòu)Omdia近期報(bào)告顯示，全球半導(dǎo)體市場(chǎng)增長(zhǎng)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(chē)半導(dǎo)體市場(chǎng)仍將出現(xiàn)大幅增長(zhǎng)，市場(chǎng)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(yù)測(cè)汽車(chē)半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模將于2030年達(dá)到1100億美元規(guī)模。非常明顯，汽車(chē)相關(guān)的需求方面依然處于旺盛狀態(tài)。與之相對(duì)應(yīng)的供給方面，在經(jīng)歷過(guò)2021年全面大缺貨后，消費(fèi)類(lèi)電子市場(chǎng)看到了較為明顯的過(guò)剩，而各類(lèi)車(chē)規(guī)芯片依然處于緊缺和漲價(jià)狀態(tài)。這其中，各類(lèi)MCU因其品類(lèi)繁多且用量巨大已成為車(chē)規(guī)芯片中的關(guān)鍵供應(yīng)部件。Insights表示，去年由于市場(chǎng)供給吃緊，MCU 平均售價(jià)大增 10%，為近 25 年來(lái)最大的增幅，預(yù)計(jì)2026 年前 MCU 售價(jià)將逐年向上。以產(chǎn)值來(lái)看，2021 年MCU 產(chǎn)值激增 23% 達(dá)到了196 億美元，今年將持續(xù)成長(zhǎng)，預(yù)估達(dá) 215 億美元，年增 10%，續(xù)創(chuàng)歷史新高。其中，車(chē)用 MCU 比重則達(dá) 40%，且為未來(lái) 5 年增長(zhǎng)速度最快的應(yīng)用?；谲?chē)規(guī)MCU的戰(zhàn)略重要性、稀缺性，越來(lái)越多主機(jī)廠(chǎng)傾向于優(yōu)先選擇可用的國(guó)產(chǎn)MCU芯片。本文將重點(diǎn)追蹤報(bào)道車(chē)規(guī)MCU中的觸控類(lèi)芯片和方案。

觸控或壓力按鍵MCU 作為專(zhuān)用MCU 的一種，是汽車(chē)智能化發(fā)展關(guān)鍵的元件之一，由儀表，娛樂(lè)，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(lái)越多的出現(xiàn)在新款汽車(chē)產(chǎn)品中，用于控制空調(diào)和娛樂(lè)導(dǎo)航等功能的機(jī)械按鍵逐漸被智能按鍵替代，汽車(chē)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(jìn)傳統(tǒng)的物理按鍵開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)榈疆?dāng)下流行的智能開(kāi)關(guān)或按鍵。智能按鍵除帶來(lái)新的用戶(hù)體驗(yàn)外，在結(jié)構(gòu)件的小體積輕量化方面也顯示出越來(lái)越明顯的優(yōu)勢(shì)。每輛車(chē)上觸控MCU的用量將從目前的平均4-5 顆快速增長(zhǎng)到20-30顆。

從幾個(gè)主要MCU 廠(chǎng)家最近發(fā)布的信息來(lái)看，今年第二季度MCU的價(jià)格將有新的一波漲價(jià)，貨期也在繼續(xù)拉長(zhǎng)，這一趨勢(shì)預(yù)計(jì)還會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，分析原因主要有以下幾點(diǎn)：1、在汽車(chē)智能化、自動(dòng)化、電動(dòng)化趨勢(shì)下，汽車(chē)電子架構(gòu)重構(gòu)，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(jī)械功能向電氣化的轉(zhuǎn)變?nèi)鐧C(jī)械按鍵向智能按鍵的轉(zhuǎn)變;傳統(tǒng)底盤(pán)向線(xiàn)控底盤(pán)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(guān)的傳感器如圖像(由5顆增加到7顆到11顆)、毫米波雷達(dá)(3顆到7顆)、激光雷達(dá)(2到3個(gè))、超聲波雷達(dá)(12顆)等數(shù)量的增加;新能源相關(guān)的主驅(qū)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、BMS、OBC、DCDC、PDU、PTC、電空調(diào)等， 網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)需要的T-Box 和各種無(wú)線(xiàn)連接功能如藍(lán)牙、NFC、UWB 等。算力的提升主要來(lái)源于A(yíng)DAS 相關(guān)AI大算力、智能座艙功能的升級(jí);電氣架構(gòu)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(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)域之間的高速互聯(lián)如Ethernet;軟件架構(gòu)向Autosar 的轉(zhuǎn)變也帶來(lái)MCU 高性能的要求。所有這些演進(jìn)還處在快速發(fā)展和需求快速增長(zhǎng)的過(guò)程，離進(jìn)入平臺(tái)期還有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。無(wú)論數(shù)量的增加還是算力的提升體現(xiàn)在供應(yīng)端都意味著晶圓需求成幾倍的增加。

2、供應(yīng)鏈端擴(kuò)產(chǎn)速度的限制

傳統(tǒng)的汽車(chē)電子MCU供應(yīng)以IDM 為主， 晶圓廠(chǎng)是各個(gè)IDM 自建自用，基于以往半導(dǎo)體市場(chǎng)的榮枯周期的經(jīng)驗(yàn)，IDM 在擴(kuò)產(chǎn)時(shí)會(huì)考慮產(chǎn)能利用率和投資回報(bào)，擴(kuò)產(chǎn)相對(duì)謹(jǐn)慎，在新的技術(shù)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(lài)Foundry 廠(chǎng)產(chǎn)能的提升 在晶圓代工和封測(cè)端，由于汽車(chē)電子對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)和資質(zhì)要求的高門(mén)檻，符合車(chē)規(guī)級(jí)質(zhì)量體系和工藝能力的廠(chǎng)家數(shù)量有限，這也是產(chǎn)能提升有別于其它消費(fèi)類(lèi)和工業(yè)類(lèi)市場(chǎng)的原因。另外在汽車(chē)電子需要的一些特色工藝上， 晶圓代工廠(chǎng)需要更長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

3、Fabless 廠(chǎng)家在設(shè)計(jì)方面的學(xué)習(xí)曲線(xiàn)

產(chǎn)品滿(mǎn)足AEC-Q100 可靠性標(biāo)準(zhǔn)只是最低要求，汽車(chē)電子有其自身的一套從設(shè)計(jì)，生產(chǎn)到品控方面獨(dú)特的工程學(xué)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(lái)滿(mǎn)足汽車(chē)電子產(chǎn)品的要求， 涉及安全的部分需要滿(mǎn)足ISO26262功能安全認(rèn)證。涉及域控部分要滿(mǎn)足軟件Autosar 架構(gòu)等， 整個(gè)體系對(duì)新進(jìn)的Fabless 廠(chǎng)家來(lái)說(shuō)有比較長(zhǎng)的學(xué)習(xí)曲線(xiàn)。這也導(dǎo)致供應(yīng)端的增加速度較慢?；谝陨显蜍?chē)規(guī)級(jí)MCU 的供應(yīng)問(wèn)題還會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間，相比通用MCU車(chē)規(guī)級(jí)觸控MCU供應(yīng)商數(shù)量更少，基本上集中在Microchip， Infineon 等廠(chǎng)家，隨著需求的快速增長(zhǎng)預(yù)計(jì)整個(gè)供應(yīng)狀況將比通用MCU更加緊張，持續(xù)時(shí)間也更長(zhǎng)。目前在客戶(hù)端都在積極地尋找替代方案，以滿(mǎn)足快速增長(zhǎng)的需求。

上海泰矽微基于設(shè)計(jì)，應(yīng)用，工程和品控以及市場(chǎng)團(tuán)隊(duì)在汽車(chē)電子半導(dǎo)體方面豐富的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)兩年多的研發(fā)和工程驗(yàn)證于今年3月份正式量產(chǎn)了專(zhuān)用于汽車(chē)智能表面和智能觸控開(kāi)關(guān)的TCAE11-QDA2和TCAE31-QDA2兩款專(zhuān)用MCU芯片，可以部分解決觸控專(zhuān)用MCU 市場(chǎng)供應(yīng)不足，替代品少的問(wèn)題，兩款芯片均通過(guò)AEC-Q100 Grade 2 完整的可靠性認(rèn)證測(cè)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(xiàn)通信，具備高抗干擾性和高達(dá)8kV HBM ESD性能，獨(dú)有的Tinywork外設(shè)聯(lián)動(dòng)機(jī)制可以實(shí)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(guó)外品牌。TCAE31是全球首款同時(shí)支持電容觸控和壓力感應(yīng)的車(chē)規(guī)級(jí)MCU芯片，它在TCAE11 的基礎(chǔ)上增加了低噪聲電壓源，2級(jí)最高1024倍增益放大PGA, 高精度ADC，失調(diào)電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)入娐穯卧?，可?shí)現(xiàn)22 bits寬動(dòng)態(tài)和最小uV級(jí)信號(hào)測(cè)量，適合于外接多種形式的電橋類(lèi)傳感器用于壓力檢測(cè)和測(cè)量功能，適用于MEMS壓感，應(yīng)變片壓感，及電阻壓感等多種壓力傳感器的信號(hào)調(diào)理和采集及算法處理，可以檢測(cè)微小變形量實(shí)現(xiàn)細(xì)顆粒度的識(shí)別算法。TCAE31充分考慮了實(shí)際應(yīng)用中可能面臨的復(fù)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(guò)寬范圍實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償結(jié)合智能演算法實(shí)現(xiàn)壓力檢測(cè)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(chē)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(mén)把手等復(fù)雜車(chē)內(nèi)和車(chē)外應(yīng)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(kāi)發(fā)理念，配合泰矽微自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)智能算法，可以提供領(lǐng)先的車(chē)用智能按鍵和智能表面解決方案。 泰矽微針對(duì)其它應(yīng)用的車(chē)規(guī)級(jí)產(chǎn)品也在積極地開(kāi)發(fā)中?；诹慨a(chǎn)的兩款芯片，泰矽微開(kāi)發(fā)的幾個(gè)參考設(shè)計(jì)也陸續(xù)完成：

01：TCAE11 汽車(chē)閱讀燈觸摸控制參考設(shè)計(jì)

LED 閱讀燈目前已經(jīng)是新車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)配置，閱讀燈開(kāi)關(guān)有機(jī)械式和電容觸摸式;電容觸摸感應(yīng)電極可以環(huán)繞LED 光源布置，不像機(jī)械開(kāi)關(guān)那樣需要單獨(dú)的空間布置開(kāi)關(guān)，觸摸開(kāi)關(guān)可以覆蓋整個(gè)LED 光源的面積，人手觸摸到燈表面就可以實(shí)現(xiàn)燈的開(kāi)關(guān)操作，不需要定位到開(kāi)關(guān)的位置。由于去除了機(jī)械開(kāi)關(guān)，閱讀燈表面造型設(shè)計(jì)靈活性，做到既美觀(guān)又實(shí)用，觸摸開(kāi)關(guān)在閱讀燈上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

TCAE11 LED 閱讀燈參考設(shè)計(jì)如圖一所示，方案可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)或兩個(gè)閱讀燈的控制，冗余的電容檢測(cè)通道用于實(shí)現(xiàn)防水，防電磁場(chǎng)干擾檢測(cè)等功能，實(shí)現(xiàn)高可靠的觸摸檢測(cè)。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(shí)現(xiàn)完整可靠的閱讀燈方案。

02：TCAE11車(chē)頂控制器中的應(yīng)用

除了單獨(dú)的閱讀燈， 車(chē)頂控制器會(huì)集成更多功能如艙內(nèi)燈開(kāi)光和控制功能， 車(chē)門(mén)燈，應(yīng)急燈，后排座燈開(kāi)光等功能。TCAE11 提供的多路GPIO口可以實(shí)現(xiàn)多路機(jī)械開(kāi)關(guān)檢測(cè)和閱讀燈觸摸開(kāi)關(guān)， 配合天窗控制單元實(shí)現(xiàn)車(chē)頂控制器的完整功能，如圖二。

要實(shí)現(xiàn)可靠的電容觸摸檢測(cè)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(guò)跟市場(chǎng)頭部客戶(hù)的緊密合作積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，參考設(shè)計(jì)充分考慮了實(shí)際產(chǎn)品需要滿(mǎn)足的抗浪涌， 抗靜電，抗電磁干擾要求，客戶(hù)方案已經(jīng)通ISO11452， ISO7637， ISO16050 系列相關(guān)EMS 測(cè)試。

上述觸摸開(kāi)關(guān)參考設(shè)計(jì)是基于純電容方案，設(shè)計(jì)面臨的主要挑戰(zhàn)是在檢測(cè)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(shè)計(jì)能有最小的對(duì)地寄生電容，這樣在觸摸的狀態(tài)下，會(huì)產(chǎn)生更大的相對(duì)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(duì)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?chē)拥鼐€(xiàn)屏蔽環(huán)或在PCB 的另一面加地屏蔽層，這勢(shì)必會(huì)增加對(duì)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(gè)優(yōu)化和折衷的考慮。另外在汽車(chē)電子的應(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EMS 設(shè)計(jì)的難度和復(fù)雜性。3. 其它優(yōu)化措施還包括跳頻模式的電容檢測(cè)、防抖動(dòng)、動(dòng)態(tài)基線(xiàn)調(diào)整算法等。但整體來(lái)講，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， 最終的方案往往是多個(gè)性能指標(biāo)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(cè)方式可以大大簡(jiǎn)化硬件和軟件方面的設(shè)計(jì)難度，在實(shí)現(xiàn)高靈敏度的情況下也可以滿(mǎn)足抗干擾性能實(shí)現(xiàn)可靠的觸摸檢測(cè)， 泰矽微TCAE31 就是其中一種雙模方案，結(jié)合了電容觸控和壓力檢測(cè)， 兩種模式的融合可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的智能按鍵并縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。

03：TCAE31智能表面參考設(shè)計(jì)

該參考設(shè)計(jì)采用TCAE31 雙模檢測(cè)芯片，在下圖三中央扶手控制器頂部控制器的參考設(shè)計(jì)中，壓力檢測(cè)通道用于檢測(cè)面板的按壓狀態(tài)， 5個(gè)電容觸摸按鍵用于定位具體的按鍵，壓力檢測(cè)通道采用高靈敏度低阻抗的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)， 電信號(hào)采集通過(guò)芯片集成的差分采樣信號(hào)鏈通道，低阻抗加上差分信號(hào)檢測(cè)使得抗干擾性能明顯增強(qiáng)。同時(shí)由于有壓力檢測(cè)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(kāi)發(fā)工具方面，泰矽微可以提供參考設(shè)計(jì)的完整文檔和相關(guān)開(kāi)發(fā)工具SDK，可視化性能調(diào)優(yōu)工具等， 可以簡(jiǎn)化代碼開(kāi)發(fā)，助力客戶(hù)實(shí)現(xiàn)高效的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和導(dǎo)入。泰矽微也可以根據(jù)客戶(hù)特定項(xiàng)目提供從原理圖到PCB到EMC 測(cè)試的完整方案，進(jìn)一步縮短產(chǎn)品開(kāi)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(hù)的項(xiàng)目中采用，應(yīng)用覆蓋閱讀燈，尾門(mén)Log 按鍵，智能中控面板，智能內(nèi)飾面板，門(mén)把手等。更多的參考設(shè)計(jì)也在陸續(xù)開(kāi)發(fā)中，后續(xù)會(huì)陸續(xù)發(fā)布。

“泰矽微的核心團(tuán)隊(duì)皆來(lái)自于全球頭部芯片商，包括Atmel，TI，On Semi，NXP等，在車(chē)規(guī)MCU方面具有深厚積累，我們正全面布局車(chē)規(guī)MCU及分離器件市場(chǎng)，后續(xù)還將持續(xù)推出各類(lèi)極具競(jìng)爭(zhēng)力的車(chē)規(guī)芯片” 泰矽微高級(jí)市場(chǎng)總監(jiān)朱建儒在接受采訪(fǎng)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(chē)規(guī)芯片供應(yīng)帶來(lái)更多國(guó)產(chǎn)力量的注入!

關(guān)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(guó)領(lǐng)先的高性能專(zhuān)用MCU芯片供應(yīng)商。公司專(zhuān)注于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用相關(guān)的各類(lèi)芯片的研發(fā)，已獲得多個(gè)知名投資機(jī)構(gòu)的大力扶持與投資。公司聚集了一批頂尖的半導(dǎo)體專(zhuān)家，致力于發(fā)展成為平臺(tái)型芯片企業(yè)。團(tuán)隊(duì)具有各類(lèi)系統(tǒng)級(jí)復(fù)雜芯片的研發(fā)能力，所開(kāi)發(fā)的芯片累計(jì)出貨達(dá)數(shù)十億顆。公司已在信號(hào)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(fèi)類(lèi)，工控及汽車(chē)等應(yīng)用領(lǐng)域。差異化的芯片產(chǎn)品在樹(shù)立行業(yè)標(biāo)桿的同時(shí)，也將為更多物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)賦能，更好服務(wù)于客戶(hù)需求。

原文標(biāo)題：國(guó)產(chǎn)車(chē)規(guī)級(jí)觸控MCU方案助力汽車(chē)智能按鍵應(yīng)用

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審核編輯：湯梓紅