什么是混合信号SoC？
传统上我们习惯将集成电路分为模拟IC和数字IC，分别处理现实物理世界的模拟信号，以及数字世界的“0”和“1”。然而，实际应用中却没有泾渭分明的界限，往往是模拟和数字电路混合在一起的，特别是日益复杂的消费类电子产品和医疗设备。这种将模拟和数字信号混合在一起处理的芯片称为混合信号IC，模数转换器(ADC)就是一个典型的混合信号器件。如果一颗芯片围绕微处理器集成一系列外围电路或功能模块，比如模拟电路、数字电路、ADC/DAC，以及各种接口，甚至RF模块等，那么它就被称为“混合信号系统级芯片(SoC)”。
混合信号IC或SoC要比单纯的模拟电路或数字电路更难设计和制造，就拿供电电源来说，模拟电路和数字电路有着完全不同的电压要求和功耗特性，要同时兼顾对设计工程师来说可不是小事。此外，混合信号SoC一般都是针对某个特定的应用而集成专门的功能模块，因此需要更为专业的知识、经验、技能、设计工具，以及测试和验证工具。混合信号的设计和制造难题包括：
- CMOS工艺一般适合数字电路，而模拟器件使用双极晶体管才能获得更好的性能。若要使用同一种制造工艺来生产混合信号IC，就必须做出性能特性的折中。直到最近10来年高性能CMOS、BiCMOS、CMOS SOI和SiGe等工艺技术的发展才让混合信号器件达到了所期望的性能。
- 混合信号IC的功能性测试仍然比较复杂和昂贵，需要从泰瑞达和是德科技等测试仪器供应商那里购买专门的混合信号芯片测试设备和方案。
- 模拟器件和混合信号器件的设计方法要比数字器件简陋很多，模拟电路也无法像数字电路那样通过EDA工具自动生成。混合信号架构师在设计芯片架构时要能够满足多个目标，比如最小化占用面积和功耗、混合信号模块的布局布线优化以降低耦合噪声和平衡电压电流分配等。
- 高速数字信号会将噪声引入敏感的模拟输入，比如通过基底耦合路径。这需要专门的技巧或功能模块来阻止或消除这类噪声耦合，比如通过全差分放大器、差分拓扑和片上去耦合等。
TI、ADI、STM、瑞萨和安森美等国际模拟器件和MCU大厂在混合信号SoC的技术和产品方面都有着长期而深厚的功底，那么国内众多的MCU和模拟器件厂商又如何呢？在最近举行的中微半导体冬季新品发布会上，深圳市中微半导体副总经理兼CTO苗小雨先生向与会观众讲解了高精度测量ADC的基本原理和技术实现。当我问他国内芯片设计厂商在技术上跟TI和ADI等国际大厂差距有多大时，他蛮有自信地表示技术不是问题，但要设计出一颗高性能、高精度且高性价比的模数转换器(ADC)也非易事，这需要专注和耐心，因为模拟和混合信号方面的专长需要时间积累。
图1：深圳市中微半导体副总经理兼CTO苗小雨讲解高精度测量ADC的基本原理和技术实现
从MCU到混合信号SoC
作为各种电子产品的控制和处理核心，微控制单元（Microcontroller Unit，简称MCU）器件是一种集成微处理器(CPU)、存储器(RAM/ROM)、计数器，以及I/O 端口的芯片。从微处理器内核架构来看，MCU有历经多年的8051，基于Arm Cortex M内核的微处理器，以及最近两年流行起来的开源RISC-V微处理器。无论采用哪种架构，各个厂商使用的内核和数字模块都没有太大区别，但在集成的模拟电路和混合信号IC方面就大有不同了。据称国内有一定规模的MCU厂商至少有30多家，但大都采用跟国际大厂PIN-PIN兼容的设计模式，同质化严重，在很多应用领域（特别是家电和消费类电子产品）只能靠价格竞争来争抢市场份额。
图2：2015-2-22年全球MCU市场规模统计及预测（来源：IC Insights）
根据IC Insights和立鼎产业研究中心数据统计，2018年全球MCU市场规模约为200亿美元，销售量约为300亿颗，未来几年虽有稳定的增长，但平均售价(ASP)却持续下降。2018 年中国MCU 市场规模超过390 亿元，预计未来3-5年MCU销售额将会继续上涨，但主要集中在低端4位、8位MCU 产品，32位高端产品仍将被传统半导体巨头垄断。
然而，混合信号SoC要比MCU整体市场增长更快，预计从2019到2023年的年复合增长率(CAGR)为6%，而且平均价格也比整体MCU市场高。对众多的本土MCU厂商来说，这无疑是一个很有吸引力的增长点，关键是要有足够的技术实力和资源来争抢这块诱人的蛋糕。
借“国产替代”东风，做混合信号SoC领跑者
继中兴事件和华为事件之后，中美科技冷战持续升级，关键半导体器件和芯片的出口限制迫使华为、海康威视等中国大型OEM厂商寻求“国产替代”方案和本土芯片供应商。这对一直在红海挣扎而难以跟国际大厂抗争的众多MCU厂商无疑是难得的机遇，深圳中微半导体就是其中的一个。这家有着18年历史，在家电MCU市场处于领导地位的本土芯片设计公司最近两年在人才招募和组织管理架构上做了一系列重大调整，加强了在技术和产品研发、应用市场开发和技术支持方面的力度，做好了欲乘“国产替代”东风，做混合信号SoC领跑者的准备。从最近在顺德和深圳举行的新品推介和交流会上发布的一系列策略计划可见端倪。
中微半导体的技术专家们在会议现场展示了2019年下半年的最新研发成果，新品系列聚焦于家电、消费电子、物联网、测量及电机等领域，包括五大系列：
1. 超低功耗BAT新品BAT32G135
- 内置 64KB Flash ，主频可到 64MHz
- 48个管脚可支持大部分功能的任意配置
- 超低功耗及丰富的模拟功能
- 升级了 SPI通信速度
- 可兼容主流型号的48脚产品
2. 8051产品CMS80F系列
- 多种应用，一颗搞定
- 满足主流公司对内核要求
- 空间大，适合更复杂方案的开发
- 主频高，通讯速度快
- 集成度高，功能丰富，应用面更广
图3：基于CMS32M5533系列电机控制MCU的参考设计
3. 触摸产品全面升级：双模触摸，自由选择
- 模式 I :内建电容
- 省去外接电容，降低成本
- 高抗扰，易过CS动态10V
- 对外辐射小，易过EMI认证
- 高灵敏度，适合隔空
- 抗射频干扰更好，满足烟机等更多应用
- 模式II :外接电容
- 满足对CS动态要求更高的应用场合
- 对外接电容的要求大幅降低
- 布板更简单
4. RISC CMS79F系列
- 运行速度更快，8MHz~16MHz
- 12Bit ADC，所有端口可作ADC检测口，可选2.0V/2.4V/VDD作参考源
- 增加LVD模块，8级LVD电压可配置，检测低电压快速精准
- 增加两路UART
- 恒流LED电流更大，120mA~150mA
5. 电机CMS32M5532/33系列
- 内核 ARM Cortex M0,最高主频64MHz,32 K Flash,8KRAM
- 内置32位硬件乘法器、除法器
- 内置Gate Driver,支持6N驱动输出
- 支持多种电机控制方式,BLDC方波(120°、150°)、SVPWM/SPWM、FOC
- 支持HALL、BEMF检测
- 符合IEC 60730标准
- 支持BOOT功能、硬件CRC校验、程序自烧录功能,支持在线仿真
发力无刷直流电机控制
中微半导体产品应用部负责人钟成宝详细讲解了电机应用及电机控制技术和产品，特别是针对园林工具和电动工具的无刷直流电机控制。他总结了中微电机控制的成功四要素，分别是：已经大批量出货的MCU系列产品、自主设计的电机驱动、电机核心算法，以及电机应用领域的多位行业专家。
图4：电机控制芯片的主要应用领域
图5：电机驱动设备的典型用量
图6：中微半导体针对不同电机应用市场的MCU系列
图7：直流无刷电机(BLDC)控制MCU的典型原理示意图
中微半导体的高性能电机专用SoC集成了运放、比较器、高速AD和预驱等功能模块，有效解决了大扭矩低速启动及运行问题。此外，直流无刷电机的算法支持完整，配合提供人机交互电机调试界面，可快速提升开发人员的开发效率，满足家用电器、工业控制、交通运输、电动工具等应用领域的设计需求。
直流无刷电机BLDC/FOC控制专用SoC及方案以四大类驱动方案MCU+预驱+功率器件提供不同选型模式，在会议现场备受瞩目，受到多个行业百名资深研发工程师的关注。其中CMS32M5532 FOC控制芯片系列具有资源配置优异、开发简单快捷且可靠性高等诸多优点，已被数家电机行业龙头公司选用。
技术能力六要素
除了发布MCU、应用方案及开发工具等产品外，中微公司副总经理兼销售总监柳泽宇先生还介绍了中微半导体未来在产品架构完善、研发设计能力提升和营销模式升级等方面的清晰布局。他总结出中微半导体立足技术能力的成功六要素：完整的MCU产品系列、以家电产品设计基因和汽车级品控为基础的高品质、高精度模拟设计能力、超低功耗的无线射频、集成外围器件的功率驱动设计经验、直流无刷电机控制完整算法和触控算法/软件开发设计平台。
图8：中微副总经理兼销售总监柳泽宇讲解中微半导体技术能力六要素
这些要素已经根植于中微半导体的技术、产品、应用和服务等各个环节中，再配合合适的人才和鼓励创新的管理机制，相信中微半导体未来会再上一个新的台阶，真正成为混合信号SoC领域的领导者。
结语
从全球半导体产业的历史发展和未来趋势来看，半导体重心从美国转移到日本，再从日本转移到韩国和台湾，接下来将会转移到中国大陆，这是必然的趋势。在这一重大而缓慢的转移过程中，必然有重量级的晶圆代工厂商和芯片设计公司诞生和形成。虽然现在很多本土IC设计公司在技术和财务实力上都还比较弱小，但一定会有一小部分厂商走上规模和价值链的顶端。什么样的公司有潜力做到呢？笔者根据对中微半导体和其他本土fabless公司的访谈和了解，总结出以下几点供业界人士参考：
- 聘请合适的骨干人才：公司技术研发、应用和支持、市场和销售等总监或VP级人才需要有多年国际芯片厂商工作经验才能有效执行公司战略计划，并将经验和技能融入新产品和服务中。
- 重视基础技术研发：中小IC设计公司一般都不愿在基础研究上投入太多资源，特别是模拟技术领域，但要真正赢得差异化竞争优势，就必须在基础器件和功能模块的精度、性能和稳定性上下功夫。模拟和混合信号技术的难度大，但也是实现差异化很好的切入点。
- 不要在低价格和低端产品上纠结：从国产MCU市场的现状就可以看出这种低价模式的危害严重性，有远大目标的芯片设计公司会做出取舍，为了长远的发展甚至不惜牺牲短期利益，必要时甚至需要果断砍掉一些产品线。
- 注重品牌和生态建设：很多IC设计公司的创始人不太在意品牌建设，甚至认为在品牌和营销宣传上花费金钱和人力是浪费。但是在竞争日益激烈的市场，对品牌的信任往往要比价格因素在客户决策中更为重要。另外，国际芯片厂商都很重视围绕其核心技术构建合作伙伴生态，除了上下游合作关系外，开放的软件和硬件开发平台也变得越来越重要。
- 专注某一细分领域：复杂的系统级芯片逐渐从通用型往专用型转变，新兴的物联网、AI和汽车应用也对半导体器件提出了更多定制化和个性化要求。中小IC设计公司的资源有限，一定要选择有一定客户基础和较强的技术实力，且未来发展空间巨大的细分领域，深耕细作以强化独特的技术和专业知识优势，这样才能跟随市场和客户的发展而逐渐发展壮大。
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