實(shí)時(shí)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(diǎn)，每年除了產(chǎn)出《中國本土MCU芯片產(chǎn)業(yè)地圖》外，還會(huì)定期進(jìn)行新品跟蹤，以及企業(yè)案例分析和綜合對(duì)比。

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

以實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域?yàn)槔?，?024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(diǎn)提一下中國本土的一家MCU廠商——華太電子，其在電機(jī)控制領(lǐng)域的能力也是可圈可點(diǎn)。

華太電子公司簡(jiǎn)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(qǐng)專利超過300個(gè)。當(dāng)前，公司業(yè)務(wù)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(wù)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(jìn)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(tuán)隊(duì)；同年，1200V FS-IGBT出貨超過1000萬顆，實(shí)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(cè)產(chǎn)線的建設(shè)。
• 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(shí)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(shí)時(shí)微控制器，并實(shí)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(wù)客戶涵蓋光伏與儲(chǔ)能、新能源汽車和工業(yè)驅(qū)動(dòng)三大類。

“實(shí)時(shí)微控制器和AI檢測(cè)處理器”雙輪驅(qū)動(dòng)

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(shí)時(shí)微控制器和AI檢測(cè)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(huì)暨展覽會(huì)上，華太電子首先發(fā)布了全新產(chǎn)品——實(shí)時(shí)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(gè)系列，產(chǎn)品將于6月陸續(xù)開放樣片和開發(fā)板的申請(qǐng)，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(yù)計(jì)明年年初發(fā)布。

接下來，我們從技術(shù)參數(shù)的角度來進(jìn)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(jí)流水線和雙發(fā)射架構(gòu)，主頻高達(dá)300MHz，單核性能達(dá)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(yù)測(cè)模塊，支持單精度浮點(diǎn)計(jì)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(fù)擔(dān)。

• 存儲(chǔ)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(gè)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(chǔ)擴(kuò)展接口，支持SDRAM、ASRAM、NOR-Flash等多種片外存儲(chǔ)器。

• 外設(shè)資源與模擬性能：

37x系列MCU的外設(shè)資源得到了大幅擴(kuò)展和性能提升，集成了豐富的通用外設(shè)，包括4個(gè)UART、2個(gè)I2C、3個(gè)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(shè)控制需求。模擬和控制外設(shè)方面，37x系列MCU配備了4個(gè)獨(dú)立ADC子模塊，支持最高20個(gè)通道，提供16bit（3.5MSPS）和12bit（7MSPS）的精度選項(xiàng)。芯片還集成了24個(gè)PWM通道，包括16個(gè)高分辨率HRPWM（100ps），并內(nèi)置DAC功能的增強(qiáng)型比較器及增強(qiáng)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)較為激烈的MCU市場(chǎng)，本次華太電子推出的Copter? E001 MCU的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)在哪里呢？

對(duì)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(duì)采集、處理和驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了優(yōu)化，可提高工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、太陽能逆變器和數(shù)字電源等應(yīng)用中實(shí)時(shí)控制的閉環(huán)性能。產(chǎn)品擁有豐富的通信和控制外設(shè)，滿足各種實(shí)時(shí)控制和信號(hào)處理需求，為工業(yè)自動(dòng)化和電力電子提供可靠解決方案?！?/p>

光儲(chǔ)逆變控制市場(chǎng)，一站式解決方案是大勢(shì)所趨

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，儲(chǔ)能逆變器顯著提高了自用率，實(shí)現(xiàn)了削峰填谷，而且隨著并網(wǎng)發(fā)電補(bǔ)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(duì)此，光伏系統(tǒng)制造商也迅速將目光轉(zhuǎn)向光儲(chǔ)逆變控制市場(chǎng)。

與此同時(shí)，為了進(jìn)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(shí)間，當(dāng)前MCU廠商也在加大對(duì)“一站式解決方案”的投入。

作為逆變器主控MCU市場(chǎng)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(yīng)的算法、系統(tǒng)參考框圖和整個(gè)流程的設(shè)計(jì)工具，再配套上本地化的服務(wù)團(tuán)隊(duì)，也是極具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的，尤其是在新能源領(lǐng)域。逆變器是光伏和儲(chǔ)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(chǔ)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(chǎng)總監(jiān)鄧海鵬表示：“隨著雙向儲(chǔ)能逆變器（PCS）等應(yīng)用市場(chǎng)的不斷發(fā)展，集成儲(chǔ)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(shè)、功耗方面的挑戰(zhàn)：

• 提升算力

系統(tǒng)必須具備強(qiáng)大的算力，以實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)間任務(wù)的迅速響應(yīng)和切換。同時(shí)，硬件加速器對(duì)于處理復(fù)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(duì)于逆變器系統(tǒng)，除了實(shí)時(shí)控制外，還需要執(zhí)行眾多控制和保護(hù)邏輯，這導(dǎo)致代碼量迅速增長。因此，片上充足的RAM和Flash資源對(duì)于代碼的升級(jí)和平臺(tái)的兼容性顯得尤為關(guān)鍵。

• 增加外設(shè)

系統(tǒng)應(yīng)配備高性能的外設(shè)，如ADC、比較器、DAC、PWM、通信接口以及GPIO等。這些外設(shè)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(yīng)速度。此外，外設(shè)之間需要具備靈活的關(guān)聯(lián)和互動(dòng)觸發(fā)能力，以支持復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)操作。

對(duì)此，鄧海鵬表示：“華太電子Copter E001系列MCU可憑借主頻高達(dá)300MHz的ARM Cortex-M7內(nèi)核，大容量存儲(chǔ)優(yōu)勢(shì)，可提供強(qiáng)大算力，高效地處理逆變器的復(fù)雜控制算法，降低信號(hào)延遲，為實(shí)時(shí)信號(hào)鏈中盡量節(jié)省每個(gè)周期的時(shí)間。相比純軟件算法為CPU帶來的巨大負(fù)擔(dān)，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(yīng)速度和穩(wěn)定運(yùn)行能力。”

除了硬件配套外，強(qiáng)大的算法支持也是閉環(huán)控制領(lǐng)域的“行業(yè)標(biāo)配”。閉環(huán)控制不僅在三相逆變領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在電機(jī)控制中也相當(dāng)重要。結(jié)合感應(yīng)電機(jī)控制（IMC）應(yīng)用，華太電子算法主任工程師叢培城表示：“電機(jī)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(yù)測(cè)的特性，因此在連續(xù)運(yùn)行的時(shí)候，整個(gè)CPU指令得到了優(yōu)化，最終的結(jié)果是算力對(duì)標(biāo)競(jìng)品還有20%的提升?！?/p>

圖 | IMC Benchmark測(cè)試的MCU計(jì)算時(shí)間對(duì)比圖，來源：華太電子

叢培城將本次測(cè)試結(jié)果總結(jié)為以下兩點(diǎn)：

一、高主頻優(yōu)勢(shì)

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(shì)

二階濾波（PR控制）提升幅度在41-71%，雙發(fā)射和分支預(yù)測(cè)等特性具有明顯的計(jì)算優(yōu)化。電機(jī)控制執(zhí)行總時(shí)間是2207ns，是競(jìng)品用時(shí)的80%，這具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

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

2、寫PWM比較值寄存器時(shí)間為53ns，片上外設(shè)讀寫速度快，與競(jìng)品速度接近；

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

綜合來看，華太電子Copter E001比競(jìng)品有20%的提升。

寫在最后

在電機(jī)和電源的實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)需求的日益增長，垂直整合的趨勢(shì)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(gè)供應(yīng)鏈的優(yōu)化。華太電子作為電機(jī)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。