众所周知,工控自动化的发展,背靠信息技术、计算机技术及通信技术的三者融合,也离不开电力电子元器件的持续迭代。同时,还有三大支柱产业支撑着现代工业自动化,分别是工业机器人、PLC、CAD/CAM。由此,我们谈到工业控制,可以联系到无数相关的软硬件及系统解决方案,甚至电子元器件。那么其中有哪些关键的元素,在工业控制系统中起着举足轻重的作用?今天,与非网汇集了多家国内外芯片厂商,就半导体技术在工控领域的作用及发展进行深度探讨,从而管中窥豹,发现国产厂商与国外头部企业在技术、产品及应用上的区别与差距。

 

一、    工业控制系统中,发挥重要作用的核心半导体技术

 

工业控制主要是通过电力电子、仪器仪表测量和信息通讯等技术对工业生产过程进行检测与控制,从而在保证准确性的同时,提高生产效率。集成电路被喻为现代工业的“粮食”,在工控设备领域的应用主要有仪器仪表、系统控制类、电机控制类和工业电脑类等,涉及的集成电路产品有MCU(微控制器)、嵌入式存储芯片、MOS逻辑器件以及电源电路等等。因而半导体技术之于工业控制系统的重要性,可见一斑。也正是这些核心半导体技术,构成了后续产品高附加值的底层逻辑。

 

意法半导体功率模拟市场部工业技术市场经理——姚春雷认为,有多项半导体技术在工业控制系统中发挥着重要作用,包括嵌入式AI、VIPower和BCD等技术。

 

嵌入式AI的技术原理是通过STM32Cube. AI和NanoEdge AI Studio等软件,让AI技术在MCU及传感器上部署运行。通过嵌入式AI技术,工程师可以把训练好的人工神经网络(ANN)部署到各种STM32 MCU上,从而通过人工智能来促进工业自动化系统从集中式向分布式转型。

 

 

VIPower™ 纵向智能功率,是意法半导体开发的一项功率器件制造技术,自1991年开始投产至今,依然在工控系统中发挥着光和热。VIPower 技术为中/高功率工业设备带来功率控制、保护和诊断功能。该技术在单片集成纵向双扩散MOS功率器件及其温度传感器电流传感器CMOS晶体管和高压元器件,用于设计功率模拟混合信号集成电路。在最新一代VIPower技术中, TrenchFET沟槽效应功率管与以前的DMOS结构相比,又将Ron导通电阻降低了35%,从而降低工业自动化模块的耗散功率。

 

 

BCD是意法半导体开发的一项功率芯片制造技术,包含了一系列硅半导体制造工艺,每种工艺都在一颗芯片上集成了三种不同技术的优势。这三种不同的技术分别是用于设计精确模拟功能的双极晶体管,设计数字电路的CMOS(互补金属氧化物半导体)晶体管,设计电源和高压元件的DMOS(双扩散金属氧化物半导体)晶体管。与分立器件相比,单片集成这些技术有许多优势,其中包括可靠性更高、电磁干扰更低、芯片面积更小。该技术在2021年5月还获得了IEEE的里程碑奖。

 

在国民技术市场总监刘杰文看来,新材料和工艺技术等半导体核心技术在工业控制系统中发挥着重要作用。一方面,随着第三代半导体材料的兴起,以碳化硅、氮化镓为代表新材料,具有高导热率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等特点,使得能源转化更加的高效。另一方面,半导体生产工艺越来越先进,由原来的250nm演变到今天的7nm、5nm技术,伴随工艺提高所带来的好处是,所生产的芯片在性能上大幅度提升的同时,芯片集成度更高,能耗更小,并且进一步提升工业控制精度,增强工控系统的稳定性。

 

近年来,国产芯片厂商都在基于最先进的材料以及工艺开发产品,例如国民技术率先在40nm及更高工艺技术上进行32位MCU产品规划及开发,大大提升芯片运算能力和系统集成度,以满足工业控制系统革新的需求。

 

灵动微电子产品市场总监王维认为,MCU/MPU、功率器件和高性能信号链半导体产品是工业控制系统的重要组成部分。对于MCU而言,其技术已经从传统的8/16bit MCU转向32bit,并要求更高性能。同时,随着工业4.0的深入,对MCU的要求不仅在于实时控制功能,也要求MCU具备一定的算力,来应对智能工业的挑战。

 

二、    关键技术的应用场景及价值表现

 

 

在工业领域,当原本在中央控制器完成的分析下移到传感器和控制系统附近时,人工智能可实现更高效的端到端解决方案。利用MCU的先进的控制能力和算力,这种分布式自动化方法可大大降低数据传输带宽要求和中央控制器算力要求。人工智能还有助于提高现场总线网络通信的实时能力,因为现场数据经过预先分析,服务提供商得到的是数据解析程度更高的数据。(现场总线指工业环境中常见的网络协议

 

VIPower技术则特别适合应用于自动化控制器中来控制各种执行器、继电器、电机、灯具、阀门、电泵、接触器,以及任何需要自动化控制及需要电流保护功能的电力负载。这主要是因为VIPower器件与标准分立式功率MOSFET一样,衬底成为芯片上集成到的多个功率MOSFET晶体管的公共端子(漏极),而MOSFET又通常用作控制系统电源和负载之间的开关。

 

在表现上,VIPower的Ron导通电阻较低,可以有效降低工业自动化模块的耗散功率,并提高鲁棒性和可靠性;另外,该技术还可提供附加的预测性维护功能(包括过温,过流,欠电压报警和关闭状态下负载开路检测功能)。

 

BCD技术广泛应用于电源管理、模拟数据采集和电执行器。开发高密度BCD技术的原因正是市场需要在同一芯片上集成越来越复杂和多样化的功能,并在所有类型的应用环境中保证高质量和可靠性。尤其是在工业控制系统中,BCD技术的应用,一方面能通过增加电流隔离,增强 PLC 模块之间的通讯安全性以及可靠性;另一方面,也可以开发紧凑封装,减少 PLC 模块尺寸。

 

                

        

国民技术的N32G45x系列MCU在工业中最为典型的应用便是伺服控制器,其对于主控制器的高速运算,实时控制,高速模拟采样,工业通讯总线和可靠性等方面都有着非常高的要求。

 

同时,国民技术正在基于最为先进的Arm Cortex-M7内核,使用最新工艺平台打造集超高性能、高集成度、支持新一代工业总线和先进电机控制算法等优势技术特性于一体的MCU系列产品。MCU产品关键技术的提升,使得工业控制应用的控制精度,响应速度,转换效率等都有非常大的提高,并且更加智能化。

 

在王维看来,工业控制系统可以分成几个类别:最底层是传感和执行,其功能是快速和有效地执行控制,在输入输出方面对MCU有一定的要求,如高精度ADC,有些场合需要低功耗,以及对执行部件的控制驱动;中间层是驱动,包括驱动控制和显示控制,需要MCU具备一定的算力,丰富的接口能在系统中与多种外部执行模块连接,并且完成对多个电机的控制,实现复杂电机算法;最上层是控制层,通过高级总线技术和下层连接并与云端做交互,需要MCU具有较高的算力,特别是DSP的能力。

 

三、    中短期内,工控领域半导体技术的走向

 

 

姚春雷表示,新一代VIPower技术将改进封装紧凑性、分布式智能、深度诊断等功能,从而促进下一代智能工厂发展。工况监测和预测性维护是半导体最重要的工业应用之一,创建预测性维护应用也将通过各种技术和解决方案来实现,包括嵌入式AI、VIPower诊断功能、工业MEMS传感器、IO Link和无线通信解决方案等。

 

伴随着工业4.0的进展加快,工控领域加速在向自动化和数据化方向上转型,尤其是在工业互联网方向上依然有巨大的发展空间。伴随国产芯片的崛起,背后的传感器、主控制器、功率器件、工业总线和工控系统等方面的产品技术不断取得新的突破,也支撑着我国新一代工业的转型发展,实现中国工业数字化转型的自主研发和国产化的目标。

 

王维认为,在MCU领域,主要的突破性进展会出现在高算力、高精度ADC和更多符合工控要求的模拟和工业总线功能。

 

结语:

通过对比国内外芯片厂商的企业代表对于不同半导体技术在工业控制系统中的观点,可知意法半导体的关注点较广,包括结合软件技术、优化制造技术等,以及在多项技术的共同作用下,达到提高可靠性、降低电磁干扰、减小芯片面积等目的。

 

国民技术关注新材料、工艺技术,企业本身主要还是通过先进的工艺技术来提升芯片的集成度,降低能耗,提高控制精度,增强系统稳定性。灵动微电子的侧重点则基本围绕MCU,其产品逐步转向更高的位数,追求更高的性能。

 

这从侧面也反映了国际头部芯片企业在产品性能、技术多样性、技术储备等方面具有相当大的优势,这些优势交织在一起为下游客户能提供更高的附加值,从而使产品能够攫取更多的利润。反观国内芯片企业,主要发力点依然还在性能方面,即使关注点有所放开,有时候也有些力不足,但这是国内芯片企业成长与追赶的必经之路。