智能网联化，家电控制器之现状浅析

　　【哔哥哔特导读】家电智能网联化的趋势越发明显，而家电控制器目前面临着哪些挑战和创新?

　　前言

　　目前的家电控制器在高效电机、第三代半导体材料方向发展还处在起步阶段，需要加快新技术的推进和整体向智能化、低碳化的转型。就目前而言，家电控制器虽然同时面临着市场和技术问题，但应市场需求，家电控制器的性能和功能不断得到创新，发展空间被行业人士一致看好。

　　家电控制器的问题及MCU厂商面临的挑战

　　按类型来分，目前家电市场主要分为白电和小家电等。对小家电市场而言，多年来，家电控制器经历了由日韩到台系再到国产的替代过程，MCU位数也从4位单片机发展到8位单片机，近些年也有32位MCU开始涉足小家电领域，MCU的功能从单一的家电控制器，发展到集成LED、LCD、Touch、语音等应用。而白电领域的MCU主要以8位和16位单片机为主，近年来，也有厂商的32位单片机开始切入，目前白电市场的MCU主要仍以日系产品为主。

　　市场方面，小家电PCBA进入门槛较低，尤其是低端跑量市场，小企业多，没有研发投入，设备二手居多，原材料可以是翻新料，只为抢夺客户。一味的压缩成本，提供质保期很短的PCB，导致一过质保期就坏，劣币驱逐良币。厦门澎湃微电子有限公司(简称“澎湃微”)市场总监雷江峰认为，作为家电控制器MCU厂商，还是要选择资质优良，规模尚可，有良好的加工能力及品质管控高的PCBA厂合作。小家电本身价格不高，功能不复杂，直接导致成本考核也高，各MCU企业需要综合考量自身的产品有无竞争力。

　　此外白色家电市场对PCBA供应商的综合能力要求较高，包括研发，品控，加工能力，工商正规，淘汰一部分家庭作坊式的供应商。随着欧美，日韩的MCU大厂有计划的放弃这部分市场(目标转向汽车电子)，台系及国内厂家有望分一部分市场。但白电研发周期长，测试，安规要求多，见效不快。另外，白色家电市场同样面临原材料及人工成本的上升，利润变薄的问题。有实力的厂家，已经在积极引进机器人。雷江峰对此表示，国内家电控制器MCU厂家首先需要拿出对标欧美的产品，其次要有耐心和客户一起成长，做好技术支持。

　　目前现阶段的家电控制器主要存在同质化竞争事宜，产品不仅在功能特点，在产品用料等方面均出现不同程度的竞争。同时，如何通过家电控制器的质量来提高整个家电产品的品质非常重要。最后，如何能体现自己在电机算法上的优势，最能体现一家家电控制厂商的核心竞争力。

　　雷江峰指出，小家电PCB市场方面，目前国内家电控制器MCU厂家基本能提供较好的支持，产品不复杂，要求不高。较大的问题是，大多数厂家无研发能力，需要MCU公司保姆式地研发及技术支持，甚至出原理图，画PCB及软件方案等支持。

　　而白色家电PCB的研发及生产要求较高，厂家有一定的研发实力。目前的主要问题是，随着国产化替代的进行，家电控制器厂家也会对标国外同类MCU的功能及品质，要求国内MCU厂家提供必要的支持及产品。如何让工程师尽快的上手，熟悉产品，国内的家电控制器MCU厂家需要从开发工具到产品功能都要和国际接轨。另外，研发需要提供成熟的例程供参考，这也是家电控制器MCU厂家需要积累的。

　　家电控制器设计智能、集成化，MCU开发方案各有特色

　　随着家电控制器更多走向具有连网以及整合的趋势。南京凌鸥创芯电子有限公司(简称“凌鸥创芯”)的MCU不只整合了系统及方案与各关键突破点，同时集成了例如OPA，DSP等丰富的外围器件与运算单元，使得以往需要两个或是以上的芯片才能完成的计算，一颗芯片就可以完成。据凌鸥创芯副总经理黄致恺介绍，凌鸥创芯的MCU芯片具有更高性能的计算能力，更高的功率元件整合，使得家电控制器能够更小型化，使用更少的零件降低系统错误的风险。例如空调室外机的PFC+风机+压缩机整合为一，减少MCU使用数量，使得压缩机低转速更稳定，转速更高，搭配数字PFC，整机做到真正变频的高效率空调驱动。

　　同时，澎湃微做为一家国产MCU后起之秀，成立3年以来，着力于32位MCU的产品研发和拓展。陆续推出M0和M3等系列产品，产品集成LED、LCD、运算放大器、比较器等功能，成功应用于汽车电子、家电、电机、医疗电子、物联网及消费电子等领域。同时，澎湃微还具有高性能ADC、Touch等技术能力，具有高端工控及白电市场产品的技术储备。此外，澎湃微32位MCU具有高抗干扰能力，如ESD(HBM模式)可以达到8千伏，EFT(群脉冲)可以达到4千伏，超过国内多数同行。

　　此外，上海灵动微电子股份有限公司(简称“灵动微电子”)凭借在电机控制领域深耕多年的经验，对未来家电控制器的设计方向均有所布局。

　　灵动微电子资深电机技术经理丁文双介绍，在高集成化方面，灵动微电子推出了集成了预驱及功率元件的“All In One”系列芯片，目前涵盖了从20V到200V电压等级，在今年还会推出电压高达600V的驱动芯片，从目前市场调研来看，深受目标客户的关注。

　　在高能效和高功率密度方面，灵动微电子储备了永磁辅助同步磁阻电机的高效控制技术，该电机以较高的能效和较少的永磁材料使用率有望取代永磁同步电机成为下一代家电控制主流电机;同时与电机厂商紧密合作，开发了众多机电一体化的解决方案，从电机出生阶段就将高集成化刻画在了基因中。另外灵动微电子还储备了参数辨识自整定算法、多种无位置传感器算法、超高速电机驱动技术、震动抑制算法、高功率因数PFC等前沿电控技术，为家电控制器向智能化、高适应性、高可靠性发展提供助益。

　　家电智能控制器MCU的创新应用方案

　　随着家用电器自动化程度的不断提高，特别是智能家电的出现，家电中电机的使用越来越频繁，数量越来越多，并且电机的类型有从传统的有刷电机逐渐向三相无刷电机进化的趋势。这对传统的简单控制MCU性能提出了新的要求，即使勉强应对，也可能使得系统变得复杂而失去竞争力。面对挑战，各大MCU供应商纷纷加大了对MCU的研发力度，以更新的产品、更高的技术满足不断变化的市场需求。

　　就电机控制而言，MCU是电机控制的核心单元，为了提高电机控制的精度和速度，矢量引擎被广泛采用，传统的矢量控制需要消耗大量的软件资源。如果矢量控制软件占用了嵌入式存储器的主要容量，因软件资源不足会导致微控制器不能有效地工作。据东芝电子元件(上海)有限公司(简称“东芝”)半导体技术统括部/技术企划部高级经理黄文源介绍，东芝的MCU系列在微控制器中引入了一个硬件IP，它能在没有CPU详细指令的情况下处理矢量控制中的复杂计算。硬件IP是矢量引擎。矢量引擎执行从3相到2相的转换、旋转坐标转换和那些反向转换，它们是矢量控制中的主要计算。在矢量控制中与矢量引擎配合使用将会大大提高微控制器的性能，系统构成参见下图。

　　一般而言，家电产品基于高可靠性的要求，会对芯片在强电磁杂讯、浪涌雷击、高温、高压、高湿等恶劣环境下的性能表现提出严苛要求。中微半导体(深圳)股份有限公司(简称“中微半导”)凭借在家电行业的多年耕耘以及核心团队的车规级MCU量产经验，公司已经开发出基于8位RISC、Intel 8051、RISC-V等内核且具有高可靠性架构设计、充足的设计裕量确保高一致性和抗干扰存储技术特征的高可靠性芯片设计平台。这些性能优秀的芯片产品广泛应用于热水器、电磁炉、微波炉、燃气灶、油烟机等小家电电器，部分已进入空调、冰箱、洗衣机等大家电领域。

　　对于未来的主攻方向，中微半导应用开发部部长罗洪健表示，公司将基于MCU为核心，集成触摸控制、屏幕显示、ADC转换等功能模块数模混合芯片，以高可靠性、高集成度和高性能触摸的技术优势，重点打造适用于大家电控制和工业控制的高性能MCU芯片全功能开发平台。

　　随着家电智能化的大力发展，家电控制器朝物联网及语音辨识等方向发展。澎湃微具有超低功耗的MCU技术，MCU的深度休眠功耗小于1微安，支持多唤醒源唤醒及快速唤醒，为家电控制器朝物联网方向发展打下坚实的基础。同时，澎湃微有多家射频芯片合作方，可以为家电控制器的物联网化提供更好的解决方案。其次，澎湃微具有完整的电机算法团队，可以针对直流无刷电机及永磁同步电机提供方案支持。语音辨识等方向，澎湃微将会推出具有超性价比的语音识别MCU。

　　另外，凌鸥创芯的产品级方案包含电动自行车、电动滑板车、吹风机、吸尘器、高速电调、油烟机、冰箱压缩机、洗衣机、空调压缩机、空调风机、吊扇灯、落地扇、跑步机、呼吸机、经膜枪、电动剪刀、电动螺丝刀、电动扳手、电动角磨等丰富的优秀方案…不同的方案有各自创新的特点，例如冰箱压缩机，具有优越的启动特性;空调室外机具有多合一驱动技术，可以同时PFC+风机+压缩机，且在降低电容使用的条件下，做到超低转速运转等优势。

　　国产MCU替代加速，集成、高效趋势明确

　　众所周知，未来家电控制器在家电领域的作用会越来越重要。随着家电市场竞争越来越激烈，从家电品牌的竞争会逐步传递到家电控制器的竞争，家电控制器会出现多家厂商并存的现象，而一改往常被单一厂商垄断的问题。而且随着近些年来国产化大趋势下，国产MCU厂商会打破传统的玻璃天花板，而一跃进入白电和高端工控等领域，目前已经有部分国产MCU厂商进入到白电头部客户。伴随电机算法的不断完善和加强，更适用于国产MCU的电机算法应运而生，也会加速国产化替代。

　　作为家电市场后来者，澎湃微目前8bit的IO和Touch等产品主要在小家电等领域出货，出货增幅明显。雷江峰表示，随着澎湃微PT32L031和PT32F030等产品的大力推广，预计今年在家电市场开始有所斩获，产品主要集中在油烟机、风筒、风扇等市场。

　　雷江峰还表示，未来，白电定会联网化，大多数板卡厂在这方面投入不多，MCU厂家可以调研这类市场，推出集成化的MCU。

　　另外从丁文双获知，随着国产芯片在质量上的精益求精及在电控细分领域上的超前设计布局，国产替代在家电领域的占比越来越高。去年和今年一季度，行业整体还处于供货比较紧张的局面，灵动微电子产品目前供不应求，2022年将接连推出了更多基于新工艺的新产品，增加今年的出货量，助力缓解供需压力。他指出，未来的家电控制器设计方面，灵动微电子也将会向高集成化、高能效、高功率密度、智能化、高适应性、高可靠性等方向发展助力。

　　罗洪健表示，未来，人工智能在家电领域的深入应用，使得更多的家电具备自主学习的能力，可以预见极高的运算及数据处理效率的同时又能做到极低运行功耗的芯片，可以让家电厂商更具竞争力。

　　结语

　　随着家电网联化和智能化时代到来，以及消费者习惯的改变，智能感应、语音辨识等功能逐渐进入到更多的家电产品。未来AIoT在家电领域中的应用广泛深入，智能家电在家庭中的使用数量随之增加，我们的生活将会更加丰富多彩。不难发现，伴随着家电控制器智能网联化的趋势将会越来越明显，应用功能和场景增多，其市场空间也将被进一步扩大。

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