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中国家电再下乡 低功耗MCU发烧
从商机看技术

【作者: 朱致宜】2010年12月07日 星期二

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根据巿场研究机构IC Insight的统计,2009年由于全球经济衰退,大陆地区销售下滑,全球MCU销售金额衰退19%,预估2010年在景气回温下,包括家电下乡政策、消费性市场与车用电子复苏等因素带动下,销售额可成长22%。


MCU由于应用广泛,因此向来受景气波动的影响较低,近来除最大宗的家电应用领域外,包括触控萤幕、触控按键、智慧电网、车用电子等等,均已成为2010年最热门的应用。以下本文将由中国家电下乡商机的观察,针对家电的低功耗MCU巿场应用趋势做探讨。


中国家电下乡商机与低功耗市场需求分析

家电下乡是中国政府于2008年12月宣布的财政政策救市方案,以提振因为全球金融海啸所造成消费性电子产品外销需求急速衰退,借以扩大内需市场;以全中国非城镇户口居民购买彩色电视、冰箱、行动电话与洗衣机等四类产品,按产品售价13%给予补贴。


家电下乡政策展开以来,对于中国及台湾,甚至亚洲邻近国家的电子行业,有着立即而巨大的影响,根据拓墣产业研究所的报告显示,以销售额来看2009年家电下乡的巿场销售额即达人民币642亿元,并将逐年倍数成长。


《图一 中国农村家电巿场销售额》
《图一 中国农村家电巿场销售额》

另根据中国研究机构水清木华之最新报告,2009年初,随着中国政府各项刺激消费政策的颁布及实施,中国家电产品总销量开始反转回升。彩色电视机、家用电冰箱、家用洗衣机等主要家电产品销量都在2009年初触底反弹。 「家电下乡」政策刺激了农村消费,极大程度上带动了家电行业的增长。


除了因应金融海啸的救市政策所带来的需求外;中国社会因为整体经济水平的改善,对各式的家电需求,本身就有极大的巿场空间。


依据赛迪顾问研究表示:中国小家电市场正步入快速成长期。中国家庭平均拥有小家电数量不到10件,远低于欧美国家每户20~30件的水准,市场潜力巨大。当前,中国已成为全球最主要的小家电生产基地,中国小家电产量已经占有全球70%的份额,近几年来全球市场的份额呈现稳步提高趋势。


为了达到刺激民间消费、扩大内需的目的,台湾亦于2008年10月份推动为期半年的节能家电补助计划。针对消费者购买具有节能标章的冷气、冰箱及洗衣机等国产家电产品,给予2000元补助;藉由政策带动消费,预估创造50亿至60亿元的需求。


然而,在巨大的产能与巿场潜力等有关「量」方面之外,必须思考是「质」的议题,如何改善家电产品的能源效率问题,以符合节能环保的趋势。


据中国节能认证中心的调查,中国城市家庭的平均待机功耗相当于每个家庭每天都亮着一盏25瓦到50瓦的长明灯。根据估算,家电产品待机能耗已占到中国家庭电力消耗的20%以上。美国能源部的报告也显示,超过三分之一的美国发电量被用于家用电器。家电能耗将成为各主要已开发国家及包含中国在内的新兴国家,在制定国家能源管理战略的重要课题。


就产业技术升级的观点而言,中国在金融海啸期间所推动「家电下乡」政策在本质上是解决因金融海啸引起之内需问题,藉由政策提振内需,改善广大农民的生活条件。然而其所衍生的是对于家电产业的升级引导。近两年中国陆续发布的「以旧换新」、「节能产品惠民工程」等政策,以及各项家电能耗新标准的颁布已成为家电行业节能工作的重要推手。新的家电能耗标准重新规范了电磁炉,微波炉,电饭煲和电风扇的能源效率指标,小家电的能耗新标准将对电子控制提出更多的要求。作为提供家电产品的核心控制-半导体器件将主导家电能耗的改善空间;电源器件、微控制器、功率驱动器件和大功率器件等将会面临新的技术要求。


随着家电下乡招标限制条件以及各类小家电行业技术标准陆续发布,中国小家电行业将开始走向质能提升的变化,新能效标准的实施将淘汰技术含量低、耗能高的产品和企业,加快产业升级和结构调整,行业发展环境将得到进一步优化。


而因应中国大力推动节能家电的政策,现今国际微控制器大厂,纷纷将低耗能、智能管理等列为进军中国巿场的必要产品功能。


适合中国市场的低功耗MCU技术

对MCU产品而言,有很多方法可以调整系统达到低功耗的目标。一般而言,可以从两个主要指标着手,包括:动态功耗和静态功耗。对动态功耗的控制,主要是在不影响MCU器件性能的前提下,以较低的系统频率或运行电压来操作,以节省功耗。而在静态功耗方面,则可提供丰富的待机和唤醒模式来达到节约的目的。


《图二 快速唤醒周期说明》
《图二 快速唤醒周期说明》

就是要快 快速唤醒时间

达到低功耗目的所采行的技术不外乎以下几种:运用处理器的多种供电模式、动态改变系统频率和运行电压,尽量将待机模式的电流消耗降至最低,并尽可能提高MCU周边资源整合度。


一个优良的低功耗技术技术,应该具有超低功耗、快速唤醒、多重时钟讯号来源及多种工作模式等特点,可大幅降低整体使用功耗,达到绿色环保的需求。应用范围需必须涵盖包括各种小家电、量测仪表、工业控制、医疗健康器材等产品。


低功耗MCU时钟讯号具备快速唤醒的能力,RC/IRC时钟讯号唤醒后到MCU可以运行的状态,2 个Clocks是理想的周期。


《图三 低功耗MCU的多种时钟源》
《图三 低功耗MCU的多种时钟源》

就是要灵活 多种时钟源+多种功耗省电模式

灵活运用省电模式是低功耗设计的关键;省电模式的功耗是与处理器在什么时钟源下工作有关。低功耗MCU应提供多种Clock Sources,大幅提高家电产品的设计弹性及电源功耗管理。包含External RC、External Crystal、32768Hz Crystal及32KHz IRC等多种时钟源。


《图四 多种功耗省电模式》
《图四 多种功耗省电模式》

此外,多种功耗省电模式,可藉由对于不同的时钟源的运行设定,达到不同静态与动态功耗的设定管理。包括Normal Mode、Slow Mode、Idle Mode及Sleep Mode等多重工作模式,给设计者提供了更多级别的设计选择。


而在MCU的周边资源,亦可藉由软体设定方式,选择不同的时钟讯号,以达到降低功耗的目的。藉由多种灵活操控的模式以及快速唤醒时间,可以让工作电流和静态电流比一般MCU要低很多。


《图五 外围资源功耗设定参考》
《图五 外围资源功耗设定参考》

中国绿色电子应用展望

受惠于经济水平的改善及国家政策的引导,中国巿场在三表、医疗电子、安防、车用电子及家电方面都具有相当诱人的应用前景,因此相关于前述产品应用对于超低功耗的MCU技术正在受到各大半导体厂商的关注。


以烟雾警示器、可携式医疗装置、水表、红外线感应器等产品为例,这类电子产品需要长时间工作在休眠状态,而一旦需要工作时,则需要迅速唤醒。这类应用对MCU的需求则是休眠时需要极低功耗的电流、工作模式下需要动态电压控制、唤醒时则回应时间要快,同时还能兼顾体积小与低成本的要求。


以安防行业中的烟雾警示器或是家电绿色节能插座为例,即适合采行此类具备超低功耗技术的MCU。在周边功能方面,以下列出适合应用于家庭、工商楼宇等产品所应具备的元件整合:


 提供6通道12-bit的快速ADC,转换速率可达125KHz,快速完成类比至数位信号之转换。


 内建两组OPA与两组比较器,其中OPA具有IC内部选择放大倍率的能力,可藉由软体设定1~56倍的放大倍数。


 Oscillator模式除支援高频Crystal与ERC外,亦支援32768Hz Crystal模式,内建5种IRC频率,频率精度达到±2%(定温定压)。


 LVR 4段与LVD 8段电压设定功能,可供电源低电压检测及防止高杂讯干扰时微控制器当机的情形发生。


 内建SPI/I2C介面与12-bit DAC,可达成产品的语音功能。



《图六 功耗MCU应用领域》
《图六 功耗MCU应用领域》

2011年中国即将启动第12个5年计画 (十二五计画),十二五最重要的两大主题分别是区域发展和都市化,以及产业升级及战略性新兴产业的发展。新能源、节能环保成为十二五计划的重要主轴之一;而其它如物联网的感测应用,亦对于低功耗MCU有迫切的需求。


低功耗MCU产品的超低功耗、高整合度功能与使用弹性,可使设计者达成产品超低功耗、小体积、低成本、高效能、易生产的设计目标,诸如居家安防、绿色家电、手持产品、工业控制、医疗照护、消费性电子与汽车周边等应用。因此有关低功耗设计在物联网、新能源、节能环保、电动车等和台湾电子产业关连度最深的产业领域,都是国内半导体与相关电子行业者必须加以重视与观注的课题。


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