【哔哥哔特导读】目前,家电的智能化和变频化的程度逐渐加深,国产芯片在当前国产替代趋势下将迎来发展机遇。
2021年11月11日,2021’(合肥)家电电源与智能控制技术研讨会在合肥富力威斯汀酒店圆满结束。针对本次研讨会围绕的家电智能控制技术和变频控制技术等方案话题,半导体器件应用网记者邀请到了航顺芯片产品经理陈水平、极海半导体产品经理许沁和灵动微电子电机事业部市场经理胡力兴,就目前家电芯片技术难点、智能控制、能效提升等问题展开探讨。
家电芯片面临的技术挑战
目前国家实施碳达峰碳中和目标,变频家电可以大幅降低家电能耗,节约电力的开销,对未来的双碳目标会有很大的帮助。
胡力兴表示:“目前变频家电的渗透率提高,国内空调的渗透率达到86%,并每年以15%的速度增长;变频的冰箱、洗衣机也在以百分之八、九的速度增长,变频家电是未来的大趋势。MCU作为家电的主控芯片,如何做到更高可靠性,实现电机控制更好的性能效率,是家电未来的一个大方向,也是灵动微电子目前投入人力、资源的地方。”
目前家电的细化领域较多,各个领域的主控芯片的功能都会有区别。如果芯片要兼容多种细分领域的应用,那么对芯片的整体设计有一定的要求。航顺芯片主要产品以MCU主控芯片为主。针对每一个领域提出专用的芯片,是航顺芯片作为一家MCU厂商在家电行业的产品规划。
陈水平认为,家电芯片高度集成化,会大大降低产品的复杂程度,减少家电工程师的设计时间和成本。随着大功率的应用,可能会给家电芯片带来散热、可靠性等问题。因此如何调整家电芯片集成化,便捷化,同时考虑功耗和可行性,成为目前家电芯片存在的挑战。
许沁认为:“目前家电MCU主控芯片和变频驱动芯片主要的技术挑战还是在于智能的控制和变频能效的提升。能效的提升是永无止境的,因为没有办法达到100%,但家电能效提升对全球能源消耗具有重要的意义。”
针对目前家电智能化和变频化所带来的技术挑战,航顺芯片的创新方案主要是把可靠性的东西集成在MCU里,比如电机的算法,将电机驱动部分加到MCU里,大大减少外围的应用电路。相信后期随着整个家电芯片发展,国产芯片有机会做更好的整合。
据了解,对于家电创新性方面,极海在算法上投入了大量的人力、物力。从今年上半年开始,极海已经正式立项投资,与浙江大学、郑州大学,兰州大学等高校联合开发算法,预计在12月份会有第一个版本的算法库释放,将会是行业领先的算法,进一步优化家电效率。
32位MCU在家电市场的优势
8位MCU运算速度有限,通常是做比较简单的控制。16位MCU可以做通讯功能,但是与32位MCU相比,成本和性能优势并不明显。从整体架构来说,32位MCU的产品性能,更符合智能家电、家居等领域的应用,目前ARM公司在生态体系和产品的成熟度上进行投入优化,成本逐渐降低。
陈水平认为:“32位MCU以前产品比较单一,目前随着智能化的进程,现在很多家电越来越复杂,功能也越来越多。我觉得后续32位MCU的市场还是非常大的,基本上会切换到32位MCU。”
许沁表示:“家电智能化和电机能效这两部分是我们未来的发展愿景。不管MCU怎么智能化,还是要提高效率,同时对于软件的算力都有更高的要求,所以32位MCU一定是未来发展的方向。”
据了解,目前32位MCU已广泛应用在电风扇、咖啡机、豆浆机、冰箱、空调等智能家电,扫地机、吸尘器等智能家居产品,以及智慧家庭的智能门锁等细分产品。
灵动微电子吸尘器应用方案
如何提高电机能效等级,降低成本?
总体来讲,电机能效等级主要涉及两方面。一个是芯片的功耗,虽然MCU的功耗不会太大,但是对于类似冰箱等需要长期插电的家电会有一些损耗,因此需要把家电芯片工艺调得更优化,使功耗更低。另一方面是算法,因为算法的提升对功耗的降低也有非常大的帮助。
虽然电机控制的能效等级不完全是由芯片完成,但电机控制作为一套整体系统,能效提升源于电机本身的改进,目前BLDC电机技术可以实现降低能耗,提高家电电机的效率。
陈水平对此表示:“针对BLDC应用,我们会把家电芯片功能集成化,通过控制板高度集成化,减少外围电路的功耗,不用外挂其他的外围芯片,减少功耗,同时也会从电机的算法和硬件等方面提高家电电机的能效。”
随着家电电机能效的提高,家电的制造整体成本可能也会相应提高,那么两者之间如何达到平衡?
陈水平认为,电机在制造上可能会增加家电成本,但是家电能效等级提高后,电机使用寿命明显增长,使用过程当中会降低家电用户成本。此外,如果家电MCU集成度提高,外围器件减少,整个PCB板的成本就会减少。因此,要想在提供电机能效的同时,又要控制成本,那么需要综合考虑家电芯片集成化,提高整体的PCB板以及怎么优化家电电机等方面的因素。
许沁则认为:“综合来看,我认为首先更应该关注如何帮助家电客户提升能效,其次是提升产品的性能。能效更低,家电会更省电。对于中间的家电整机厂商客户来说,如果能够帮助终端的用户节省用电成本,那么家电的售价也可以提高,这样芯片成本付出其实是无关紧要的。”
“作为一个控制单元,MCU的成本在整个家电电机系统里并不是最主要的。电机里基本上是磁材料,如果成本能够降低,主要在于电机磁材成本。但MCU的算法可以把家电电机控制得更平稳,使得家电客户用到更小的电容,可以降低相对成本。”胡力兴表示。
进入第四季度,家电市场供应相对平稳
纵观2021年全年,目前已经进入第四季度。国产芯片正在慢慢地进行替代,32位MCU也在逐渐走进家电市场,但目前还是有缺货的情况。随着国家相关部门的投入,我们认为缺货只是暂时的情况,预计家电芯片供货紧缺的局面在未来半年之内会得到缓解。
由于明年下半年库存的产能释放出来,明年一季度产能还是会有点紧缺,家电厂商会储备相应品牌库存,整体来说家电芯片价格波动不大。陈水平补充表示:“家电芯片价格波动也取决于晶圆厂和封装厂市场,因为我们处于设计环节,我们的价格也是取决于上游的原材料,所以价格会目前来说已经涨了几波,可能后期涨价会平缓一点,没那么快,或者后期会有稳重待降的可能。我们目前产能已经在大幅缓解,相信明年年初可以大批量量产。目前交期一般都是4～6周,一般的常用料都有库存。”
据许沁透露,目前极海市场端的家电芯片产品售价也比较稳定,主要系公司的管控力度相对较大,会与代理商去对真实的出货价格,保证客户拿到的产品不是一个偏离市场预期的价格。
胡力兴告诉记者:“目前来说,灵动微电子产能供应还是正常的,因为我们也在逐步把芯片升级换代,未来产品用更好的工艺,比如12寸的晶圆。目前交期是按20周计,具体还是要联系当地的销售同事进行沟通。”
国产替代下,看好合肥家电市场
目前国产芯片尤其是MCU在国内整个市场来说,占比还是非常低。国内家电行业内,还是小家电芯片较多,大家电基本上以进口芯片为主。随着家电智能化和变频化发展,家电芯片市场有望持续增长,为国内急需补上短板。
胡力兴表示,未来家电领域的大方向肯定是国产芯片占更大的优势,而且做得越来越好。因为国产芯片各种门类非常齐全,而且一旦做东西,都是能够从广往深了做。相信未来家电会做得很好,并且非常有特色。
在国内重要家电生产基地中,合肥家电市场早已引起行业人士关注。此前,合肥市政府积极招商引资,引进了家电行业的美的、美菱等国内知名家电厂商,并有很多家电企业部门的产业链及其产业配套的生产厂家,形成了家电基地非常重要的既有优势。许沁认为,除了中国广东顺德以外,合肥将会成为一个非常重要的家电生产基地。
陈水平表示,由于很多家电类产品的特殊性,功能比较复杂,国内家电企业会有顾虑国产芯片可能在质量或稳定上面可能不如国外或台湾芯片。合肥家电市场可能需要多方面的努力,包括媒体多举办一些活动,让更多的家电用户相信好的国产芯片能够用进来。
他还认为:“后续国产芯片一定会在家电方面做更深的投入,加大芯片的研发力度,把芯片做的更质量更好。因为家电行业的芯片比普通消费电子芯片的要求高,要得到客户的认可,需要投入更多的精力和资金。家电方面,很多MCU厂商会做产品的升级迭代,这也是我们未来要做的事情。我也比较看好合肥家电市场。”
结语
目前MCU主控芯片和变频驱动芯片作为智能家电的核心元器件,虽然在高可靠性、性能提升等方面仍然存在调整,但是随着芯片智能化、变频化程度的提高,国产芯片将受到进一步的研发、创新,相信在国产替代的进程中取得更大进步和突破。其中,合肥家电基地或将成为国内重要的家电应用市场。未来,家电芯片的高集成度、高可靠性、低成本趋势也将会更加明显。
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