国产车规级触控MCU方案助力汽车智能按键应用

市场调查机构Omdia近期报告显示，全球半导体市场增长幅度将由2021年的21.1%降至2022年的4.2%，增速趋于平缓。但汽车半导体市场仍将出现大幅增长，市场规模将由2021年的500亿美元增至2025年的840亿美元，IHS Makit则预测汽车半导体市场规模将于2030年达到1100亿美元规模。非常明显，汽车相关的需求方面依然处于旺盛状态。与之相对应的供给方面，在经历过2021年全面大缺货后，消费类电子市场看到了较为明显的过剩，而各类车规芯片依然处于紧缺和涨价状态。这其中，各类MCU因其品类繁多且用量巨大已成为车规芯片中的关键供应部件。Insights表示，去年由于市场供给吃紧，MCU 平均售价大增 10%，为近 25 年来最大的增幅，预计 2026 年前 MCU 售价将逐年向上。以产值来看，2021 年MCU 产值激增 23% 达到了196 亿美元，今年将持续成长，预估达 215 亿美元，年增 10%，续创历史新高。其中，车用 MCU 比重则达 40%，且为未来 5 年增长速度最快的应用。基于车规MCU的战略重要性、稀缺性，越来越多主机厂倾向于优先选择可用的国产MCU芯片。本文将重点追踪报道车规MCU中的触控类芯片和方案。

触控或压力按键MCU 作为专用MCU 的一种，是汽车智能化发展关键的元件之一，由仪表，娱乐，空调等分离单元组成的传统座舱快速向座舱域+ADAS域演变， 中控大屏或贯穿式一体屏越来越多的出现在新款汽车产品中，用于控制空调和娱乐导航等功能的机械按键逐渐被智能按键替代， 汽车内饰智能表面，塑电一体化，电子和内饰的融合等概念也在促进传统的物理按键开关转变为到当下流行的智能开关或按键。智能按键除带来新的用户体验外，在结构件的小体积轻量化方面也显示出越来越明显的优势。每辆车上触控MCU 的用量将从目前的平均4-5 颗快速增长到20-30颗

从几个主要MCU 厂家最近发布的信息来看，今年第二季度MCU的价格将有新的一波涨价，货期也在继续拉长，这一趋势预计还会持续较长时间，分析原因主要有以下几点：

1. 在汽车智能化、自动化、电动化趋势下，汽车电子架构重构，MCU数量和算力需求不断增加。数量的增加主要体现在新功能的加入，包括传统机械功能向电气化的转变如机械按键向智能按键的转变；传统底盘向线控底盘的转变；LED替代白炽灯；氛围灯的广泛采用（由10颗到30颗）；ADAS 相关的传感器如图像（由5颗增加到7颗到11颗）、毫米波雷达（3颗到7颗）、激光雷达（2到3个）、超声波雷达（12颗）等数量的增加；新能源相关的主驱电机驱动、BMS、OBC、DCDC、PDU、PTC、电空调等， 网联汽车需要的T-Box 和各种无线连接功能如蓝牙、NFC、UWB 等。算力的提升主要来源于ADAS 相关AI大算力、智能座舱功能的升级；电气架构从分布式向功能域和区域功能的集成也需要高算力的MCU 来实现各个域之间的高速互联如Ethernet；软件架构向Autosar 的转变也带来MCU 高性能的要求。所有这些演进还处在快速发展和需求快速增长的过程，离进入平台期还有相当长的时间。无论数量的增加还是算力的提升体现在供应端都意味着晶圆需求成几倍的增加。

2.供应链端扩产速度的限制，传统的汽车电子MCU供应以IDM 为主， 晶圆厂是各个IDM 自建自用，基于以往半导体市场的荣枯周期的经验，IDM 在扩产时会考虑产能利用率和投资回报，扩产相对谨慎，在新的技术浪潮下，新产能投资缓慢。在最新一代高性能MCU 产品方面，传统的IDM 也逐渐转向Fablite 模式， 产能的增加也更多依赖Foundry 厂产能的提升 在晶圆代工和封测端，由于汽车电子对产品品质和资质要求的高门槛，符合车规级质量体系和工艺能力的厂家数量有限，这也是产能提升有别于其它消费类和工业类市场的原因。另外在汽车电子需要的一些特色工艺上， 晶圆代工厂需要更长的开发时间。

3.Fabless厂家在设计方面的学习曲线，产品满足AEC-Q100可靠性标准只是最低要求，汽车电子有其自身的一套从设计，生产到品控方面独特的工程学方法，体现在IATF16949中，从APQP， FMEA， PPAP、MSA 到SPC需要一套系统的方法来满足汽车电子产品的要求， 涉及安全的部分需要满足ISO26262功能安全认证。涉及域控部分要满足软件Autosar 架构等， 整个体系对新进的Fabless 厂家来说有比较长的学习曲线。这也导致供应端的增加速度较慢。

基于以上原因车规级MCU 的供应问题还会持续较长的时间，相比通用MCU车规级触控MCU供应商数量更少，基本上集中在Microchip， Infineon 等厂家，随着需求的快速增长预计整个供应状况将比通用MCU更加紧张，持续时间也更长。目前在客户端都在积极的寻找替代方案，以满足快速增张的需求。

上海泰矽微基于设计，应用，工程和品控以及市场团队在汽车电子半导体方面丰富的经验，经过两年多的研发和工程验证于今年3月份正式量产了专用于汽车智能表面和智能触控开关的TCAE11-QDA2和TCAE31-QDA2两款专用MCU芯片，可以部分解决触控专用MCU 市场供应不足，替代品少的问题，两款芯片均通过AEC-Q100 Grade 2 完整的可靠性认证测试。该系列SOC芯片基于ARM Cortex-M0 内核，主频32MHz，内置64KB Flash 和4KB SRAM，支持LIN总线通信，具备高抗干扰性和高达8kV HBM ESD性能，独有的Tinywork®外设联动机制可以实现超低功耗。TCAE11 是纯电容触摸的芯片，支持最多10路的电容触摸通道，功能上方面可以完全替代国外品牌。

TCAE31是全球首款同时支持电容触控和压力感应的车规级MCU芯片，它在TCAE11 的基础上增加了低噪声电压源，2级最高1024倍增益放大PGA, 高精度ADC，失调电压动态补偿等电路单元，可实现22 bits宽动态和最小uV级信号测量，适合于外接多种形式的电桥类传感器用于压力检测和测量功能，适用于MEMS压感，应变片压感，及电阻压感等多种压力传感器的信号调理和采集及算法处理，可以检测微小变形量实现细颗粒度的识别算法。TCAE31充分考虑了实际应用中可能面临的复杂变化要素，如由于装配，温度，湿度，老化，干扰等引起的参数变化，通过宽范围实时动态补偿结合智能演算法实现压力检测的持续可靠性。再结合电容触摸通道，实现电容+压感复合智能按键，可真正实现汽车应用所需的高抗干扰，防误触，防水等高可靠性要求，适用于如智能表面，智能B柱，智能中控，智能Logo，智能门把手等复杂车内和车外应用环境。泰矽微始终秉持高性能，高集成度及高可靠性的产品开发理念，配合泰矽微自主知识产权智能算法，可以提供领先的车用智能按键和智能表面解决方案。泰矽微针对其它应用的车规级产品也在积极的开发中。

基于量产的两款芯片，泰矽微开发的几个参考设计也陆续完成：

TCAE11汽车阅读灯触摸控制参考设计

LED 阅读灯目前已经是新车的标准配置，阅读灯开关有机械式和电容触摸式；电容触摸感应电极可以环绕LED 光源布置，不像机械开关那样需要单独的空间布置开关，触摸开关可以覆盖整个LED 光源的面积，人手触摸到灯表面就可以实现灯的开关操作，不需要定位到开关的位置。由于去除了机械开关，阅读灯表面造型设计灵活性，做到既美观又实用，触摸开关在阅读灯上的应用越来越广泛。

TCAE11 LED 阅读灯参考设计如图一所示，方案可以实现一个或两个阅读灯的控制，冗余的电容检测通道用于实现防水，防电磁场干扰检测等功能，实现高可靠的触摸检测。芯片附带的UART 接口可以用于和BCM 之间的LIN 通讯， GPIO口可以用于LED 灯的控制，实现完整可靠的阅读灯方案。

TCAE11车顶控制器中的应用

除了单独的阅读灯， 车顶控制器会集成更多功能如舱内灯开光和控制功能， 车门灯，应急灯，后排座灯开光等功能。TCAE11 提供的多路GPIO口可以实现多路机械开关检测和阅读灯触摸开关， 配合天窗控制单元实现车顶控制器的完整功能，如图二。

要实现可靠的电容触摸检测需要硬件和软件协同优化，泰矽微在整体方案方面通过跟市场头部客户的紧密合作积累了丰富的经验，参考设计充分考虑了实际产品需要满足的抗浪涌， 抗静电，抗电磁干扰要求，客户方案已经通ISO11452， ISO7637， ISO16050系列相关EMS 测试。

上述触摸开关参考设计是基于纯电容方案，设计面临的主要挑战是在检测灵敏度，防误触和EMC方面的优化和折衷；主要是在以下方面：

1. 在灵敏度方面，希望触摸电极的设计能有最小的对地寄生电容，这样在触摸的状态下，会产生更大的相对电容量变化，灵敏度高。

2. EMS 抗干扰特别是抗射频干扰方面，希望触摸电极有低的对地阻抗，以减少射频能量的接收 一般的做法是在触摸电极周围加地线屏蔽环或在PCB 的另一面加地屏蔽层，这势必会增加对地寄生电容降低灵敏度和上述灵敏度的要求是背离的，这就要有个优化和折衷的考虑。另外在汽车电子的应用中，触摸电极往往是单层的ITO 或其它薄膜形式，增加地屏蔽层不可实现，这进一步增加了EMS 设计的难度和复杂性。

3. 其它优化措施还包括跳频模式的电容检测、防抖动、动态基线调整算法等。

但整体来讲，要实现可靠的电容触摸按键功能需要硬件方面经验的积累和软件算法的多轮优化， 最终的方案往往是多个性能指标和可靠性，抗干扰方面的折衷。如果引入两种以上不同的检测方式可以大大简化硬件和软件发面的设计难度，在实现高灵敏度的情况下也可以满足抗干扰性能实现可靠的触摸检测， 泰矽微TCAE31 就是其中一种双模方案，结合了电容触控和压力检测， 两种模式的融合可以实现更优的智能按键并缩短产品的开发周期。

TCAE31智能表面参考设计

该参考设计采用TCAE31 双模检测芯片，在下图三中央扶手控制器顶部控制器的参考设计中，压力检测通道用于检测面板的按压状态， 5个电容触摸按键用于定位具体的按键，压力检测通道采用高灵敏度低阻抗的惠斯通电桥结构， 电信号采集通过芯片集成的差分采样信号链通道，低阻抗加上差分信号检测使得抗干扰性能明显增强。同时由于有压力检测通道的加入，电容触摸通道的灵敏度可以做的更高，并且不需要采用纯电容模式经常需要的屏蔽电极或冗余电极，电容触摸通道的利用率更高，是多按键智能表面的理想解决方案。

在开发工具方面，泰矽微可以提供参考设计的完整文档和相关开发工具SDK，可视化性能调优工具等， 可以简化代码开发，助力客户实现高效的产品开发和导入。泰矽微也可以根据客户特定项目提供从原理图到PCB到EMC 测试的完整方案，进一步缩短产品开发周期。

泰矽微TCAE11 和TCAE31 两款产品目前已经在多家Tier 1客户的项目中采用，应用覆盖阅读灯，尾门Log 按键，智能中控面板，智能内饰面板，门把手等。更多的参考设计也在陆续开发中，后续会陆续发布。

“泰矽微的核心团队皆来自于全球头部芯片商，包括Atmel，TI，On Semi，NXP等，在车规MCU方面具有深厚积累，我们正全面布局车规MCU及分离器件市场，后续还将持续推出各类极具竞争力的车规芯片”泰矽微高级市场总监朱建儒在接受采访中介绍道。有理由相信随着泰矽微向纵深方向发展，必将为车规芯片供应带来更多国产力量的注入！