行業(yè)新動向，中國芯勢力！由芯師爺主辦的第三屆硬核中國芯領(lǐng)袖峰會暨2021汽車芯片技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用論壇于近日成功舉辦。上海泰矽微電子有限公司資深市場總監(jiān)朱建儒在線分享了《TCAE31A車規(guī)級雙模人機交互單芯片方案》。

2019年，上海泰矽微電子有限公司（以下簡稱“泰矽微”）成立于上海張江，專注于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用相關(guān)的各類高性能專用SoC芯片研發(fā)，已獲得包括上海浦東國資在內(nèi)的多個知名投資機構(gòu)的大力扶持與投資，致力于發(fā)展成為平臺型芯片企業(yè)。該公司聚集了一批頂尖的半導(dǎo)體專家，平均15年以上的工作經(jīng)驗，大部分來自于Atmel、Marvell、TI、海思等知名芯片企業(yè)的核心開發(fā)人員。

汽車電子應(yīng)用占據(jù)整個MCU市場超過30%的份額，汽車電動化、智能化和網(wǎng)聯(lián)化的興起，對MCU的需求迅猛增長。據(jù)IC Insights預(yù)測，車用MCU銷售額在2021年預(yù)計為76 億美元，預(yù)計2025 年達約120億美元。

我國是全球第一大汽車產(chǎn)銷國，也擁有全球最大的車用MCU市場。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，中國汽車電子MCU 市場將從2021 年的43億元增長到2026 年的56億元。

（圖源：前瞻經(jīng)濟學人）

從全球車載MCU市場來看，現(xiàn)階段主要由恩智浦、瑞薩電子、英飛凌、德州儀器、微芯科技等占領(lǐng)，市場占有率約為85%。國產(chǎn)車載MCU起步晚，涉及該域領(lǐng)業(yè)務(wù)公司較少，在專用MCU 領(lǐng)域涉及的廠家更少, 未來國產(chǎn)替代潛力巨大。     朱建儒表示，泰矽微緊跟客戶端需求，結(jié)合團隊MCU 和模擬設(shè)計技術(shù)能力，在專用MCU 領(lǐng)域發(fā)展差異化競爭優(yōu)勢。

簡而言之，專用MCU芯片通過將MCU和外圍的信號檢測、傳感器激勵源、信號調(diào)理、執(zhí)行單元、電源管理、通訊接口等進行整合可以減少元件數(shù)量、減小體積、降低BOM 成本、提高系統(tǒng)可靠性，并且通過簡化設(shè)計縮短開發(fā)和上市時間。

目前，泰矽微已經(jīng)完成第一階段成果：信號鏈MCU，把傳感器的模擬前端、數(shù)模轉(zhuǎn)換、電容傳感器、壓力傳感器、電源管理以及光電接口做集成，開發(fā)出單芯片方案，可以用于血氧儀等產(chǎn)品。后續(xù)計劃，泰矽微將集成更多的外圍電路如傳感器激勵源、執(zhí)行單元，以及電源管理等。

泰矽微聚焦于醫(yī)療健康、智慧家電、智能消費電子、傳感、能源管理、汽車電子等專用MCU垂直產(chǎn)品方向。產(chǎn)品包括計量MCU系列、信號鏈MCU系列、人機交互MCU系列、壓力觸控MCU系列、電容觸控MCU系列、電池管理MCU系列、電源管理MCU系列、無線充電MCU系列、無線通信MCU系列等。

朱建儒首先講解了壓力感應(yīng)的原理，壓力感應(yīng)包括三種類型：

壓阻式：壓力引起電阻形變進而導(dǎo)致電阻變化

電容式：兩極板距離變化引起極板間電容變化

電感式：線圈靠近金屬板引起電感改變

（圖源：泰矽微）

其中，電容觸摸感應(yīng)原理，是在觸摸狀態(tài)時觸摸檢測盤對地電容增加，芯片檢測出電容的變化量配合合適的算法來判斷是否有觸摸狀態(tài)發(fā)生。
泰矽微的TCAE31是一款“三合一”芯片，包括2通道壓感檢測、10通道獨立電容觸摸開關(guān)和電容通道支持滑條或滑輪功能。典型的汽車應(yīng)用場景有空調(diào)控制板機械按鍵替代、方向盤按鍵替代、無鑰匙進入門把手、天窗和閱讀燈開關(guān)替代等。

TCAE31產(chǎn)品特性：

Arm® Cortex®-M0 內(nèi)核，主頻最高32MHz

存儲器：

64KB Flash

4KB SRAM

內(nèi)部時鐘：RC16M，32KHz，二倍頻器

16位RTC

1個I2C，最高400Kbit/s，支持睡眠喚醒功能

2個UART

DMA

模擬前端支持22 bit 分辨率的寬動態(tài)信號采集

帶有Offset電壓補償電路，最大補償范圍±400mV

低噪聲外部傳感器供電輸出

TinyTouch®觸摸檢測模塊，最多支持10路電容觸控通道

片上溫度傳感器

Tinywork®外設(shè)聯(lián)動機制和多種低功耗模式支持

封裝 QFN28, 4mmX4mmX0.75mm

AEC-Q100 Grade 2 (-40 ?C to 105 ?C)

（圖源：泰矽微）

具體來說，TCAE31這款雙模SOC，是業(yè)內(nèi)首顆單芯片可以支持兩路電橋式壓感和最多10路電容觸摸的雙模SOC 芯片，如需更多路壓力傳感可以采用外部低成本的多路選擇開關(guān)進行擴展，并且可以通過多電容傳感的設(shè)計實現(xiàn)滑條或滑輪的功能。

這顆芯片內(nèi)部含ADC- 模擬信號采集和處理單元，支持兩對差分或兩路單端信號測量；兩級PGA，最大1024X增益；可以實現(xiàn)22 bit 寬動態(tài)范圍高分辨率信號的測量；兩級輸入失調(diào)Offset補償：粗調(diào)和細調(diào)；支持Tinywork®機制低功耗模式，RTC觸發(fā)轉(zhuǎn)換 ；插入Dummy轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換結(jié)果支持多種數(shù)據(jù)格式，且可自動平均；支持FIFO、DMA直接讀?。痪邆涑墒斓膲焊袡z測算法。

（圖源：泰矽微）

壓力電阻受到不同的力，其阻值表現(xiàn)出不同的變化方向。如果受到的是壓縮力，其電阻值會變小；如果受到的是拉伸力，其電阻值會變大。壓力傳感器是由4個壓力電阻組成的惠斯通電橋。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的傳感器受到微小的壓力也能產(chǎn)生變化較大的電壓差。

如上圖所示，R1、R4為一個正平面，R2、R3在一個負平面，正常情況下，正平面受到壓力，使R1,R4處于壓縮狀態(tài)，電阻值變小，R2,R3為拉伸狀態(tài)，電阻值變大，會產(chǎn)生正向電壓（Vp>Vn），否則產(chǎn)生負電壓。

對于壓力電阻檢測精度影響主要來自兩方面，其一是傳感器供電質(zhì)量，TCAE31內(nèi)部提供高質(zhì)量電源給傳感器來避免這一影響。另一方面是溫度的影響，電阻值隨溫度變化，如果橋臂上的電阻在不同溫度區(qū)域，電阻值溫度變化不同，帶來測量誤差。對此，TCAE31通過軟件算法補償電阻橋受溫度影響的誤差。

同時，泰矽微還研發(fā)了TinyTouch®電容觸摸檢測技術(shù)，支持自容電容傳感器；兩種電容觸摸檢測模式；雙頻檢測，可有效避開干擾頻率；可通過調(diào)整觸摸管腳的外接電容來調(diào)整靈敏度；支持多路并行檢測；可在最低功耗模式下運行；支持FIFO、DMA；有成熟的電容觸控算法。

演講中，朱建儒分享了幾項典型的解決方案。在中控應(yīng)用場景中，該方案將PCB壓感模組貼合于汽車中控臺面板的背面，配合Tinychip人機交互芯片，可有效檢測用戶不同力度的按壓操作。另外，方案還配以線性馬達的震動反饋，讓用戶擁有真實的按鍵按壓體驗。這項方案具有一體式中控臺設(shè)計、可濕手或戴手套操作、延續(xù)用戶按壓使用習慣等優(yōu)勢，還可防誤觸，彌補電容屏存在的不足。

再比如座椅舒適、調(diào)節(jié)系統(tǒng)方案將壓感模組貼合于座椅下方和背部，配合Tinychip人機交互芯片，以確保座椅適應(yīng)駕駛員和前排座椅乘客的解剖結(jié)構(gòu)和個人要求，提升駕駛舒適度緩解駕駛疲勞的同時，可進行占位感知，提高駕駛安全。

泰矽微的全系列產(chǎn)品具有單芯片/小封裝、高可靠性/高靈敏度、低功耗、完整解決方案等優(yōu)勢。不僅如此，泰矽微為用戶提供全方位的用于評估、測試、生產(chǎn)的軟硬件平臺，涵蓋芯片評估、垂直方案、生產(chǎn)以及仿真調(diào)試下載工具等，致力為客戶提供一站式服務(wù)。