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国产信号链芯片海洋中的灯塔

时间:2020-09-11 阅读:
世界这么大,我们每天都在用眼睛去看她的五彩斑斓,用耳朵去听她的荡气回肠,用双手去触摸她的广袤无限。那么人类是如何对这些物理现象进行感知的呢,简单而言,光、声波、气味等信号通过人体器官后将转换成适当的电信号,电信号再通过神经送入大脑,最终由大脑执行信号处理、分析等任务。然而人体感知系统存在局限性,面对物理世界各种各样的模拟量,难以量化出可供计算机系统直接进行处理的数字信号。
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谁是“中国的TI”?

近两年国内半导体业界一个流行的口号是成为“中国的TI”。作为全球最大的模拟芯片厂商,德州仪器(TI)年营收超过100亿美元,数万个产品型号涵盖模拟器件的各个类别,从毫米波雷达和传感器,到ADC/DAC数据转换、信号放大和音频处理,再到微处理器(MCU)和DSP,以及电源管理、电机驱动和接口等器件。大而全的模拟产品线使得TI可以触及世界各地的各种应用领域,从个人消费电子产品到工业应用,再到汽车电子、通信设备和企业计算。

在感慨和羡慕的同时,我们也应该看到像TI这样的模拟巨头也是经过数十年的自我发展,收购兼并,同时跟随技术和市场的发展变化而优化组合,才发展到今天的规模,取得全球行业龙头的地位,并以技术创新、运营稳健和客户服务赢得业界的尊敬。

另一家跟TI发展模式类似的是ADI,以模拟器件为本,通过收购兼并逐渐发展壮大,其营收规模开始逼近TI。这给我们国内模拟芯片厂商一个提示,默默耕耘的模拟芯片市场依然可以容纳多家巨头并存,相互之间虽然有竞争但仍然可以在不同的细分领域发挥各自的技术优势。坚持走自主研发技术线路且具有相当实力和规模的国产模拟芯片厂商也不少,比如通过收购钰泰半导体而加强电源管理产品线的上市公司圣邦股份,以及即将科创板上市的芯海科技。总部位于深圳的芯海科技创始团队有着国外半导体公司和华为海思前身的工作背景,从2003年公司创始之初即专注于模数转换器(ADC)技术和应用,其长期愿景是“做中国的TI”。经过17年的技术积累和研发投入,芯海科技现已成长为国内信号链芯片市场的顶尖企业。

芯海科技现已拥有全信号链的芯片设计技术,其核心是高精度ADC和高可靠性MCU,部分ADC和MCU产品已达到或接近国外TI、ST同类产品的水平。截至目前为止,该公司已经拥有6项核心技术、195项专利、134项软件著作权,以及27项集成电路布图设计。芯海主要产品包括智慧健康芯片、压力触控芯片、工业测量芯片、智慧家居感知芯片,以及通用微控制器芯片。

架起模拟与数字世界的桥梁

世界这么大,我们每天都在用眼睛去看她的五彩斑斓,用耳朵去听她的荡气回肠,用双手去触摸她的广袤无限,用心领取感受她的海纳百川。那么问题来了,人类是如何对这些物理现象进行感知的呢,简单而言,光、声波、气味等信号通过人体器官后将转换成适当的电信号,电信号再通过神经送入大脑,最终由大脑执行信号处理、分析等任务。正是这样一套机制,使我们对世界有了更详细的了解。然而人体感知系统存在局限性,面对物理世界各种各样的模拟量,难以量化出可供计算机系统直接进行处理的数字信号。专注解决这些难题的芯海通过信号链芯片(传感器+ADC+MCU)把真实世界的模拟信号转变为数字世界的信息。

ADC是皇冠上的明珠

凡是需要真实物理世界与数字世界连接和交互的电子产品都需要经过模拟信号链这座桥梁。而ADC器件在信号链的这个节点上起着关键作用,因为模数转换的精度和速度直接影响着整个系统的性能和响应能力。ADC之后的下一个关键环节就是对数字信号的处理(采用MCU),经过计算、转换和放大后输出各种所需的信号,比如驱动显示器或电机等。如果说模拟电路是集成电路的皇冠,那么ADC就是皇冠上的明珠,其设计难度之高可想而知,自然其价值也极高。

ADC器件从特性上可以分为高速高精度、低速高精度、高速低精度以及低速低精度四种类型,而在实现技术上可以分为多比较器快速ADC、逐次逼近ADC、管道ADC,以及Sigma-Delta ADC等,其主要特性如下图所示:

1996年,以欧美为主的33个国家在奥地利维也纳签署了《瓦森纳协定》,规定了高科技产品和技术的出口范围和国家。其中高端ADC属于出口管制产品,中国也属于受限制的国家之一,禁运范围主要是精度超过8位且速度超过10MSPS的ADC。

全球ADC市场主要被TI、ADI等几家跨国大企业所垄断,而高性能ADC在军用领域、高端医疗器械、以及精密测量等领域起着至关重要的作用,因此ADC技术对于我国集成电路的发展尤为重要。高精度ADC在电子设备中属于核心器件,厂家一旦选用,一般不会轻易替换。多年来国内的设备厂家出于性能、质量等多方面的考虑,只选用以TI和ADI为主的国外知名厂家的ADC产品。然而,自华为禁运及中美贸易战以来,国内的设备厂家开始采购国产芯片,未来高精度ADC器件的国产替代潜力巨大。

国内模拟芯片厂商在高精度ADC设计领域一直比较薄弱,多年处于被外国厂商垄断的局面。2007年之前,国内专注于高精度ADC设计的企业较少,而中高端衡器对于ADC精度要求较高,因此国内中高端衡器早期使用的ADC芯片大多来自TI、ADI等ADC技术全球领先企业。

2007年,芯海推出CS1242芯片,其精度高达24位,有效位数为21位,可以满足国内中高端衡器对高精度ADC的要求,并逐步应用到中高端衡器中。芯海科技自主研发的ADC技术有如下特点:(1)高精度,最小可测量信号达到42nV,适合不同信号大小和信号范围的仪器仪表测量使用;(2)线性度高,最大线性误差不超过10ppm,可以满足高精度工业天平的误差要求;(3)受温差影响较小,最大增益温漂小于3ppm,能够适合不同温度条件下的工业应用环境,并内置温度传感器,精度可以达到正负2摄氏度,可以满足仪器仪表温度变化条件下的软件补偿要求,适用于高精度天平及其他仪器仪表的测量。

2011年,芯海又推出了24位低速、高精度ADC芯片CS1232,在有效位数上已经达到了23.5位,分辨率超过千万分之一,在同类型芯片中达到行业较高水准。

 “模拟+MCU”双核发展思路

根据IC Insights对2019年世界主要模拟半导体供应商前十榜单排名和2019年世界主要MCU芯片供应商前十榜单排名对比得出,同时位列两个榜单的公司有60%的重合度,而且都是全球顶级的芯片公司。

他们都同时拥有模拟和MCU两大类产品。

图一:2019年世界主要模拟半导体供应商 (单位:百万美元)

图二:2019年世界主要MCU芯片供应商

站在世界看中国,芯海科技的技术和战略定位也非常鲜明:成为国内领先的、同时发力ADC和MCU双平台的芯片设计公司。回望芯海科技17年来的坚持和创新,以ADC起家,又自主开发MCU,逐渐向提供物联网一站式解决方案的完整信号链芯片厂商前进。

基于对低速高精度ADC技术及高可靠性MCU技术的深刻理解,并掌握有全信号链芯片设计技术,芯海才能快速向客户提供整体解决方案,在突发的市场机会来临时,才能利用产业化优势快速响应。在今年上半年的疫情下,芯海科技“20天完成红外额温枪一站式解决方案”即是其全信号链设计能力的有力见证。

信号链芯片及其应用

以ADC为核心的信号链器件可以检测和处理物理环境参数(气压、温度、光强和湿度等)、人体生理参数(体重、体脂、血压、血糖和骨密度等)、设备参数(电量、电压、电流、功率等),以及人机交互参数(触控、声音、压力、手势、视频、图像和震动等)。

据权威市调机构统计预测,2016年全球信号链芯片的市场规模为84.05亿美元,预计今年将达到99.23亿美元,到2023年将增长至118.17亿美元。

智慧健康芯片主要是以高精度ADC技术为核心,将高度集成的全信号链芯片应用到健康测量领域,即通过体温计、体重/体脂秤、智能手环以及人体成分分析仪等健康测量设备实现对人体各种生理参数的测量,满足健康管理的需求。芯海科技的智慧健康芯片已广泛应用于人体成分分析、智能穿戴、额温枪等健康测量设备终端。

体脂或者人体成分的分析主要是通过测量人体阻抗来完成,由于其测量电路多采用分立元件来构建,成本高体积大,因此较难应用于小型家用设备中。TI公司的AFE4300是全球率先应用于便携式智能体脂秤的芯片,一直在这一市场占据主导地位,价格较高。芯海科技推出的CS125X系列芯片是国内首款便携式智能体脂秤专用AFE芯片,结合相关的算法模型,形成了一套完整的家用体脂秤、高端人体成分分析仪的核心技术解决方案。

相比于TI AFE4300系列芯片,芯海科技的CS125X系列芯片有如下优势:可以同时测量阻抗和相位,所用的资源和外围器件也更少;在保证测量精度和AFE4300处于同一级别的前提下,成本较低;支持多频多电极测量,准确性大幅提升,动态范围大幅提升,适用于高端8电极人体成分分析仪等场景;通过0.1ohm的高精度动态人体阻抗测量及先进的心率/HRV算法,支持家用体脂秤实现双脚心率/HRV测量功能,领先于AFE4300;支持重心、平衡度多种创新测量功能。

下表是芯海的CS125X芯片与TI AFE4300的性能对比。可以看出芯海的技术和产品在很多性能参数上已经达到国际先进水平,而且在有些方面具有更好的灵活性。

在低速高精度ADC芯片基础上,芯海采用微压力应变技术开发出压力触控SoC芯片。压力触控芯片由高性能模拟前端和高性能主控组成,模拟前端对压力传感器输出端信号进行失调补偿、温度补偿,放大后转换成数字信号送入高性能主控进行信号处理;高性能主控使用特殊压力检测算法通过通道检测、噪声处理、阈值判断等手段识别出按键的动作以及按键压力的大小。这种芯片可应用于智能手机和TWS耳机等电子设备上。

芯海的压力触控SoC芯片已于2017年实现量产,目前主要应用于压力触控屏、压感Home键以及边缘键替代等。魅族旗舰机型(M15/16X/16/16Plus/16s/16sPro/Zero)、vivo机型(Apex系列/ NEX3/NEX3s /iQOO系列)、小米旗舰机型(小米8透明探索版)、8848机型(M5/M4)、努比亚z20等智能手机均采用了这种压力触控芯片。此外,全球首款环绕屏概念机小米MIX Alpha和OPPO首款屏下摄像头全面屏概念机也采用了这一压力触控方案。

工业测量在工业生产和科研各环节中,为产品的设计、模拟、测量、放样、仿制、仿真、产品质量控制、产品运动状态提供测量技术支持,一般要求工业测量仪器能够适应不同环境并做到精密测量。工业测量芯片的核心模块为高精度ADC,因此工业测量对ADC的精度以及稳定性有较高要求。

测量精度和适应性成为制约工业测量芯片的关键因素,由于芯片设计难度较高,目前国内工业测量芯片以国外进口为主。芯海科技的工业测量芯片内置自主研发的24位高精度ADC,能适合不同的工业应用环境,满足仪器仪表温度变化条件下的软件补偿,可以满足国内多数工业测量仪器需求。TI的ADS1232芯片的精度和稳定性在工业测量领域处于行业领先水平,而芯海的高精度ADC CS1232在性能指标上跟TI的ADS1232基本一致,具备一定的国产替代价值。

芯海科技的工业测量系列芯片已广泛应用于压力变送器、充气泵、胎压计以及测温模块、计数秤/计重秤等,部分终端应用如下:

以高精度ADC和高性能MCU为核心的未来发展方向

根据半导体行业协会统计数据及可能覆盖的产品单价,预计2021年智慧健康细分产品出货量为86.08亿台/套,可覆盖的芯片市场规模约为45亿元。目前芯海科技的ADC、SoC产品及方案已经在体重体脂秤、智能手表手环、人体成分分析仪、电子体温、红外测温等十几项高精度智能产品上得到广泛应用。

除ADC核心技术及相关产品和应用方案外,芯海科技在高性能MCU方面也颇有建树。2014年推出了国内首颗移动电源专用MCU芯片,并于2018年推出国内首颗内置USB3.0 PD快充协议的32位MCU芯片。在MCU芯片业务领域,芯海将在未来三年完成高性能32位系列MCU芯片升级及产业化,为客户提供低功耗、高性能、高安全、高可靠性的MCU芯片产品,持续提升市场份额;在压力触控领域,公司将迎合人机触觉互动细分市场技术需求,持续升级压力触控芯片,并将压力触控技术推广至耳机通信,提升用户体验感,巩固公司在细分领域的市场领先地位并开拓新的应用市场;在智慧健康领域,公司集合生物信号处理SoC芯片、高性能模拟前端AFE以及BLE蓝牙通信模块于一体,推出集成度更高的新一代智慧健康测量芯片,紧跟行业技术发展与下游需求变动方向。

责编:Yvonne Geng

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