實時控制垂直整合，華太電子后來居上

MCU產(chǎn)業(yè)是與非研究院關(guān)注的焦點，每年除了產(chǎn)出《中國本土MCU芯片產(chǎn)業(yè)地圖》外，還會定期進行新品跟蹤，以及企業(yè)案例分析和綜合對比。

近日，我們看到MCU一方面朝著更高的集成度在演進，比如NXP就推出了基于臺積電5nm制程工藝的車規(guī)級MCU S32N55；另一方面在垂直應用領(lǐng)域的深度在不斷下探，比如在電機控制，能源轉(zhuǎn)換、航空航天和模擬傳感器等應用中的定制化，在此基礎(chǔ)上衍生出了“MCU+”的概念。

以實時控制領(lǐng)域為例，就2024年上半年而言，就有不少廠商推出新品，包括瑞薩電子基于Arm Cortex-M85內(nèi)核的RA8T1 MCU產(chǎn)品群，東芝基于Arm Cortex-M4內(nèi)核的M4K系列MCU等。此外，要重點提一下中國本土的一家MCU廠商——華太電子，其在電機控制領(lǐng)域的能力也是可圈可點。

華太電子公司簡介

華太電子成立于2010年，現(xiàn)有員工900人，其中研發(fā)人員超過320人，申請專利超過300個。當前，公司業(yè)務聚焦在兩大板塊，分別是：萬物互聯(lián)和新能源。

來源：華太電子

• 公司成立之初，業(yè)務聚焦在通信領(lǐng)域，持續(xù)為2G的GSM，3G、4G的LTE、5G的Massive MIMO和小基站領(lǐng)域，提供射頻的LDMOS和MMIC等產(chǎn)品。
• 2018年，公司進入新能源賽道，同期發(fā)布IGBT產(chǎn)品；同年，RF LDMOS年出貨量超過2000萬顆。
• 2021年，公司加大新能源賽道的投資，相繼成立了功率、SoC和模擬團隊；同年，1200V FS-IGBT出貨超過1000萬顆，實現(xiàn)了650V SJ-IGBT、工業(yè)IGBT/SiC模塊的量產(chǎn)，并完成了IGBT模塊封測產(chǎn)線的建設。
• 2024年，功率產(chǎn)品線，1200V/650V第二代SJ-IGBT產(chǎn)品系列量產(chǎn)；模擬產(chǎn)品線，光伏旁路二極管量產(chǎn)，同時推出了單片高集成的BMS AFE芯片；SoC產(chǎn)品線，推出雙核M7內(nèi)核實時微控制器，并實現(xiàn)量產(chǎn)。

基于此，公司功率、SoC和模擬產(chǎn)品逐漸形成新能源解決方案，服務客戶涵蓋光伏與儲能、新能源汽車和工業(yè)驅(qū)動三大類。

“實時微控制器和AI檢測處理器”雙輪驅(qū)動

聚焦到SoC芯片，華太電子將陸續(xù)提供主頻為300MHz的基于雙核M7的實時微控制器和AI檢測處理器產(chǎn)品。

就在剛結(jié)束的第十七屆（2024）國際太陽能光伏與智慧能源(上海)大會暨展覽會上，華太電子首先發(fā)布了全新產(chǎn)品——實時微控制器Copter? E001系列MCU。

圖 | Copter E001系列MCU路線圖，來源：華太電子

據(jù)悉，本次發(fā)布是高端系列（37X系列），基于Arm Cortex-M7開發(fā)，分為單核和雙核兩個系列，產(chǎn)品將于6月陸續(xù)開放樣片和開發(fā)板的申請，9月起正式量產(chǎn)供貨；另外華太內(nèi)部還在開發(fā)另外一款中端系列，預計明年年初發(fā)布。

接下來，我們從技術(shù)參數(shù)的角度來進一步了解一下Copter? E001的特性。

• 算力性能：

37x系列MCU搭載了高性能的ARM Cortex M7內(nèi)核，具備6級流水線和雙發(fā)射架構(gòu)，主頻高達300MHz，單核性能達到642DMIPS，屬于Cortex M系列中的佼佼者。該內(nèi)核還配備了低延遲分支預測模塊，支持單精度浮點計算單元和DSP指令集，結(jié)合硬件函數(shù)加速單元（TFU），有效提升處理效率并減輕內(nèi)核負擔。

• 存儲資源：

37x系列MCU提供了最高2MB的eFlash和256KB的SRAM系統(tǒng)緩存。每個CPU核心額外配備了2塊128KB的可配置緊耦合內(nèi)存（ITCM與DTCM）以及16KB的高速緩存（I-Cache），以提高eFlash的處理效率，并確保關(guān)鍵指令與數(shù)據(jù)的快速執(zhí)行。此外，該系列MCU還具備豐富的外部存儲擴展接口，支持SDRAM、ASRAM、NOR-Flash等多種片外存儲器。

• 外設資源與模擬性能：

37x系列MCU的外設資源得到了大幅擴展和性能提升，集成了豐富的通用外設，包括4個UART、2個I2C、3個SPI、USB2.0 Master/Slave以及3路CAN-FD控制器，滿足多種芯片互聯(lián)與外設控制需求。模擬和控制外設方面，37x系列MCU配備了4個獨立ADC子模塊，支持最高20個通道，提供16bit（3.5MSPS）和12bit（7MSPS）的精度選項。芯片還集成了24個PWM通道，包括16個高分辨率HRPWM（100ps），并內(nèi)置DAC功能的增強型比較器及增強型捕獲模塊，為高速高精度控制需求提供硬件支持。

站在市場競爭較為激烈的MCU市場，本次華太電子推出的Copter? E001 MCU的競爭優(yōu)勢在哪里呢？

對此，華太電子SoC產(chǎn)品線CPO朱楊飛表示：“華太電子Copter E001系列32 位MCU針對采集、處理和驅(qū)動進行了優(yōu)化，可提高工業(yè)電機驅(qū)動器、太陽能逆變器和數(shù)字電源等應用中實時控制的閉環(huán)性能。產(chǎn)品擁有豐富的通信和控制外設，滿足各種實時控制和信號處理需求，為工業(yè)自動化和電力電子提供可靠解決方案。”

光儲逆變控制市場，一站式解決方案是大勢所趨

根據(jù)市場調(diào)研，儲能逆變器顯著提高了自用率，實現(xiàn)了削峰填谷，而且隨著并網(wǎng)發(fā)電補貼不斷下調(diào)，因此收益比傳統(tǒng)的光伏逆變器收益更高，市占率也逐年提升。對此，光伏系統(tǒng)制造商也迅速將目光轉(zhuǎn)向光儲逆變控制市場。

與此同時，為了進一步降低系統(tǒng)開發(fā)人員的研發(fā)門檻，減少系統(tǒng)開發(fā)廠商的產(chǎn)品面世時間，當前MCU廠商也在加大對“一站式解決方案”的投入。

作為逆變器主控MCU市場的后起之秀，華太電子不僅能夠提供MCU、功率器件和模擬產(chǎn)品，還能提供相應的算法、系統(tǒng)參考框圖和整個流程的設計工具，再配套上本地化的服務團隊，也是極具市場競爭力的，尤其是在新能源領(lǐng)域。逆變器是光伏和儲能系統(tǒng)的重要組成部分，而MCU又是逆變器的“大腦”，是逆變效率提升的關(guān)鍵保障。

圖 | 光儲逆變器系統(tǒng)示意圖，來源：華太電子

華太電子SoC產(chǎn)品線市場總監(jiān)鄧海鵬表示：“隨著雙向儲能逆變器（PCS）等應用市場的不斷發(fā)展，集成儲能的混合系統(tǒng)正在成為主流，控制雙向能量轉(zhuǎn)換給MCU領(lǐng)域提出了新的要求?！?/p>

具體來講，主要包括算力、片內(nèi)資源、外設、功耗方面的挑戰(zhàn)：

• 提升算力

系統(tǒng)必須具備強大的算力，以實現(xiàn)子系統(tǒng)間任務的迅速響應和切換。同時，硬件加速器對于處理復雜算法至關(guān)重要，確保一系列硬件加速功能能夠支持高效的數(shù)據(jù)處理。

• 豐富片內(nèi)資源

對于逆變器系統(tǒng)，除了實時控制外，還需要執(zhí)行眾多控制和保護邏輯，這導致代碼量迅速增長。因此，片上充足的RAM和Flash資源對于代碼的升級和平臺的兼容性顯得尤為關(guān)鍵。

• 增加外設

系統(tǒng)應配備高性能的外設，如ADC、比較器、DAC、PWM、通信接口以及GPIO等。這些外設不僅要提供充足的通道數(shù)量，還必須具備更高的精度和更快的響應速度。此外，外設之間需要具備靈活的關(guān)聯(lián)和互動觸發(fā)能力，以支持復雜的系統(tǒng)級操作。

對此，鄧海鵬表示：“華太電子Copter E001系列MCU可憑借主頻高達300MHz的ARM Cortex-M7內(nèi)核，大容量存儲優(yōu)勢，可提供強大算力，高效地處理逆變器的復雜控制算法，降低信號延遲，為實時信號鏈中盡量節(jié)省每個周期的時間。相比純軟件算法為CPU帶來的巨大負擔，華太電子Copter E001搭載的TFU硬件加速單元可帶來40%以上的速度提升，可極大節(jié)省CPU開銷，提升系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)定運行能力?！?/p>

除了硬件配套外，強大的算法支持也是閉環(huán)控制領(lǐng)域的“行業(yè)標配”。閉環(huán)控制不僅在三相逆變領(lǐng)域應用廣泛，在電機控制中也相當重要。結(jié)合感應電機控制（IMC）應用，華太電子算法主任工程師叢培城表示：“電機控制的算法可分成ADC模塊、電力工程算法模塊等，由于華太電子Copter E001中的CPU具有雙發(fā)射和分支預測的特性，因此在連續(xù)運行的時候，整個CPU指令得到了優(yōu)化，最終的結(jié)果是算力對標競品還有20%的提升?！?/p>

圖 | IMC Benchmark測試的MCU計算時間對比圖，來源：華太電子

叢培城將本次測試結(jié)果總結(jié)為以下兩點：

一、高主頻優(yōu)勢

ARM? Cortex? M7內(nèi)核，主頻300MHz，更高的主頻帶來更大的算力。

二、CM7核心架構(gòu)優(yōu)勢

二階濾波（PR控制）提升幅度在41-71%，雙發(fā)射和分支預測等特性具有明顯的計算優(yōu)化。電機控制執(zhí)行總時間是2207ns，是競品用時的80%，這具有明顯的優(yōu)勢。

1、電機控制算法執(zhí)行時間為1844ns，體現(xiàn)了主頻高的算力優(yōu)勢；

2、寫PWM比較值寄存器時間為53ns，片上外設讀寫速度快，與競品速度接近；

3、AD采樣及中斷時間無法分開，因此在測試中合并統(tǒng)計，AD采樣及中斷時間為310ns，中斷響應時間稍長，但是占總時間比例較小。

綜合來看，華太電子Copter E001比競品有20%的提升。

寫在最后

在電機和電源的實時控制領(lǐng)域，隨著技術(shù)的不斷進步和市場需求的日益增長，垂直整合的趨勢正在變得日益明顯。這種整合不僅涉及到硬件和軟件的緊密結(jié)合，還包括了從原材料采購到最終產(chǎn)品生產(chǎn)的整個供應鏈的優(yōu)化。華太電子作為電機控制領(lǐng)域主控芯片和系統(tǒng)方案的提供商，顯示出了其專業(yè)能力，未來或成為新能源領(lǐng)域主控方案的佼佼者。