第四届意法半导体工业峰会：聚焦自动化、电机控制和电源与能源三大领域

（文/程文智）11月3日，第四届意法半导体（ST）工业峰会在深圳福田香格里拉大酒店召开，本届峰会的主题是“激发智能，持续创新”，峰会上，ST的高管们介绍了他们对工业市场的洞察、ST的未来战略，以及聚焦的三大领域，即自动化、电机控制和电源与能源。另外，ST及其客户和合作伙伴带来了150多件工业展品和解决方案，同时围绕自动化、电机控制和电源与能源应用主题举办了35个技术分论坛。峰会上重点展示的应用场景有绿色能源生产和存储、智慧教室、智能保健，以及智慧农业。
 
ST在工业市场的洞察与战略

在上午的主题分享阶段，ST总裁兼首席执行官Jean-Marc Chery分享了他对工业市场的洞察和ST的未来战略。在他看来，工业市场正在经历一场转型，而电源和能源管理，物联网和互联，智能出行基础设施，是工业市场转型的基础。
 
Jean-Marc Chery认为，在工业应用转型方式中有两大趋势：

一是设备及系统数字化，包括与云的融合，也就是大家常说的“云化”。这个趋势包括制造和物流自动化、机器人和自主系统，以及人工智能和工业物联网的普及。

二是能源管理和能效改进。这一趋势包括推动电气化、电机控制智能化和节能化，以及能源基础设施改进。
 


在工业市场中，市场规模和增速最快的当属制造和过程自动化，接下来是电源&能源，以及医疗电子、楼宇&居家控制等。而ST重点关注的三个细分领域分别为：自动化、电机控制，及电源&能源。
 
在未来战略方面，据Jean-Marc Chery介绍，ST正扩大投资，以提高其技术和制造优势。
 

 
今年，ST的资本支出约为35 亿美元，正通过执行战略投资计划升级制造，包括扩大12寸晶圆产能，以及加快宽禁带技术的垂直整合和产能提升。
 
作为一家大规模芯片制造商，ST拥有数字芯片制造技术，包括90nm到28nm 嵌入式非易失性存储器制造技术。同时，他们也继续加大投资以提高12寸数字晶圆的产能，同时扩大模拟器件的产量。几个月前，ST刚刚宣布与格芯 (Global Foundries) 合作，投资数十亿欧元在法国Crolles新建一个联营的大规模晶圆制造厂。
 
ST将继续投资建设在意大利米兰附近的 Agrate的12寸晶圆新厂，按计划明年上半年开始增加产能，预计到 2025 年底前有望释放全部产能。总之，这将让我们的 12寸产能在2022 年至 2025 年间提高一倍。
 
此外，ST也在快速提高碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带技术的产能。就在不久前，ST宣布在意大利新建一个整合式SiC衬底制造厂，以更好地支持汽车和工业应用对 SiC 器件不断增长的需求。该工厂预计明年开始投产。
 
同时，ST也在加快提高后工序产能，通过和外包合作伙伴共同努力，作为一家垂直整合制造商，持续为客户打造可靠的供应链。
 
ST体亚太区销售及市场执行副总裁Jerome Roux强调亚太区是ST重要的业绩增长区，在亚太地区，工业市场有望达到两位数的增长。工业市场极其复杂，高度多元化且极具挑战，在不同的细分市场都有特定的需求。ST将这些细分市场再细分成40 多个更小的市场，在这些市场上部署2万多款产品——包含了标准产品到高度定制的产品。通过这些产品，ST支持了超过10万名不同规格的客户——从跨国公司到初创公司都包含在内。ST不仅为工业市场提供产品，同时还为各种工业应用提供完整的系统解决方案包括电力转换，基于行业前沿的 STM32 MCU 和 MPU、磁隔离栅极驱动器、MOSFET、IGBT、模拟信号处理 IC、运动传感器、环境传感器、光学传感器，以及多种多样的连接解决方案。
 
为了更好地服务亚太地区的客户，ST在亚洲设立了七个技术创新中心，分别是智能手机、物联网、人工智能、电机控制、自动化、电源和能源以及新能源汽车。其中电源与能源、电机控制、自动化等三个创新中心专注于服务主要的工业细分市场。这三个技术创新中心从项目早期就开始与客户研发团队沟通，提出整套解决方案，从中积累专业技术知识，并部署解决方案。
 
除了这些工业技术创新中心外，ST还在亚洲主要城市(深圳、上海、北京、首尔和台北)建立了五个实验室，拥有约 50 名相关的ST高级专业技术人员(SRA、FAE 和 Division AE)。
 
为了加快部署技术创新中心开发的可持续性解决方案，ST与代理商合作伙伴(Arrow、WT、WA、Edom、Avnet)建立了五个联合实验室，与客户(泰科智能，汇川技术，华润创业)建立了三个联合实验室，与印度的REC公司建立了一个联合推广实验室。ST通过实施项目管理和部署市场推广解决方案来实现上述目标。此外，ST还与中国的几家重点大学建立了联合实验室, 因为新一代工程师是中国的未来。
 
Jerome Roux表示，ST高度关注工业市场，特别是中国，是ST业务发展的重点市场。
 
ST重点关注的三大领域

本届工业峰会上，ST主要聚焦在三个领域，一是自动化技术，让系统实现智能化，从而减少能源消耗；二是电机控制，三是电源&能源，致力于帮助生产、传输和存储清洁能源。
 


自动化包括工厂自动化、智能家居、楼宇及城市，以及智能农业等。ST目前可以提供丰富的硬件和软件产品，包括模拟器件、MCU、接口芯片、传感器等等。
 
首先，自动化产品的安全性是非常重要的，ST在自动化领域尤其注重产品的安全性。据悉，ST所有的产品都通过了Safety Integrity Level安全等级的认证，客户如果使用ST产品就可以更好地通过这个安全认证，因为ST产品已经全部都包含了这个认证。
 
同样，ST还有在工业自动化I/O Link和楼宇自动化KNX方面，也有非常完整的一套解决方案可以供客户选择。随着这些年I/O Link和KNX逐渐进入大家的视野，被大家接受。所以，这方面的应用以后会越来越广，ST可以在这方面提供完整的技术支持。
 
传感器是工业自动化或者说是整个自动化控制的神经末梢，所以它越来越深度地融合到工业自动化控制逻辑中来。当然，我们这次给大家带来非常丰富的产品，首先是图像传感器系列，有像可以做机器视觉的图像传感器、避障的ToF、可以用来做感光或人体存在的光学类传感器，还有一些做3D识别的，就是用来做智能家庭的3D人脸识别的传感器等。



在峰会上，ST还特别提到了一款AI赋能的传感器ISM330IS，该传感器内置了DSP的内核，及BNN机械学习架构。内置的DSP内核可以让开发者基于普通的C语言来做一些算法的设计。BNN用来干什么呢？ST已经基于这个BNN架构做了一些模型的学习，比如用在风扇上，风扇异常时，传感器自己就能判断是不是异常，然后给到后台的系统做报警和做一些处理。该传感器的主要优势是：第一是功耗低，第二是反应速度快，这也是边缘计算的一个优势。传感器和整个系统是隔离开的，直接给上层MCU 报告一些状态和结果，让MCU可以快速反应，对整个逻辑做快速的控制。
 
电机控制

当谈到电机控制时，很多人可能认为电机控制是一个不太重要的因素，因为电机控制的能耗并不大。事实上，全球大约有52%的总能源是由电机消耗掉的，而要优化电机的能耗，就需要优化电机，从而减少振动和能耗。而这个过程的优化需要固件和硬件的支持。
 


电机的种类繁多，电机参数变化多样，控制曲线要求实时可靠。据ST的廖科盛介绍，STM32从三个方向来解决这些问题：首先是ST多样的产品，ST有多个产品系列可以支持客户选择高性价比产品针对不同的电机应用来做产品开发；第二，ST有多种多样的硬件评估套件，帮助客户做产品原型机开发、控制算法的验证；第三，ST有全流程的软件开发套件，支持客户做全流程的开发，从电机的参数设定到控制算法，到最后电机调试都有一套完整的软件支撑。ST从这三个方面来帮助客户快速、便捷地开发可靠精确的电机控制系统。
 


除了MCU，ST的功率器件在电机驱动中也应用广泛。电机驱动市场是非常多样化、多元化的。从不同形式的电机，包括直流电机、开关磁阻电机，还有更多不同的应用领域，从小功率、消费类到工业类、甚至汽车里的电机，它们的应用场景和对功率器件提出的需求其实也不尽相同。ST完备的功率器件的工艺和产品，比如高压MOS、DM2、DM6，具备在低载情况下提升马达驱动转换效率的能力。
 


另外一些工业伺服，甚至更为高端的电机驱动领域，对可靠性以及功率密度提出了要求。ST的智能功率模块IPM以及大的ACEPACK Module就很好地解决了客户应用的痛点。同时，ST也有丰富的晶圆技术和碳化硅组合的模块，能够很好地在大功率应用场合提升效率和功率密度。
 


第三代半导体也开始在电机驱动应用中出现，特别是SiC和GaN器件。ST在电机控制领域有着全面的产品组合，超过150多种产品和超过10亿台用于工业领域的电机，正在由ST的芯片来驱动。STSPIN32G4是ST推出的一款用于低压伺服电机的驱动产品，这是一款系统级封装的驱动芯片，内部集成了M4内核和一个三项半桥驱动器，最高可支持1000W最大功率；同时，它还集成了电流采样和电源管理，可用于AGV、机械臂、协作机器人等应用。
 

 
ST重点介绍了一颗驱动芯片------STGAP2，该芯片可以用于驱动碳化硅、氮化镓以及IGBT模块，可以提供6000V的隔离能力以及4A的驱动电流。可应用于工业和汽车领域。
 
现在电机应用在我们生活的各个方面，电机的维护就成为困扰客户的一个问题。ST 的eFuse产品就可以很好帮助客户解决这个问题。eFuse就是一个电子保险丝，它在保护之后可以自恢复，不用手动更换，可以大大帮助我们客户降低维护成本。同时，相对于传统的保险丝，电子保险丝保护速度更快，保护的精度更高；同样，它还可以人性化地调节你保护的电压、电流以及输出的斜率，这些都是传统保险丝做不到的。所以，它是传统保险丝很好的替代产品。
 


ST同时还带来了一颗振动传感器IIS3DWB。由于电机在工作过程中，它的各种模块或工作状态不一样时，振动频率是不一样的。通过传感器可以把信号抓出来以后进行频谱分析，看它整个频谱的状态以及看哪个频点是被拉高还是被拉低了，我们就可以来判断电机在整个运行过程中，某一个部位到底出现了什么状况？当然，这需要MCU的配合，通过无线、蓝牙传到后台做大数据的分析。而三轴传感器IIS3DWB就可以用来监测电机的运行状态。
 
电源和能源
电源有各种各样的应用场景，有各种各样的应用需求。ST的STM32平台化很好地匹配了这一应用的特点，ST以太阳能储能为例，重点展示一下STM32多样化产品。比如，其高性能产品STM32H7可以帮助客户实现拉弧检测；高性能的TIMer可以帮助客户实现可靠的逆变器；MPU和无线产品可以帮助客户实现人机界面的设计。这里我们以人工智能检测为例，人工智能拉弧检测可以方便客户实现快速、准确的拉弧检测功能。Cube.AI的应用使单片机上客户可以快速、方便实现这样的拉弧检测。
 
 

 


 
在能源里，效率是非常关键的指标。ST在功率器件上，涵盖了所有的硅晶体功率器件，以及最近非常热门的第三代宽禁带半导体，包括碳化硅、氮化镓。

 
ST针对光伏和储能应用市场，分享了其碳化硅器件。从2014年ST发布了第一款碳化硅MOS管，到现在已经给市场提供到了第三代这样的工艺技术，它涵盖了650V、1200V、1700V以及在研的更高电压产品。碳化硅在这个市场应用当中，就极大地提升了能源转化效率。ST还有全碳化硅的功率模块，在进一步提升能源系统功率密度和可靠性方面取得了非常大的贡献。
 
 
除了碳化硅，ST还有氮化镓技术。ST可以提供种类非常丰富的氮化镓产品，包括650伏的氮化镓功率管、G-FET、G-HEMT、G-driver系列等，其中，G driver系列，可以为IGBT, 碳化硅MOSFET和氮化镓提供驱动电路。同时，ST还有氮化镓芯片MasterGaN系列。MasterGaN系列其实是业界首款集成了两个氮化镓功率管、及其驱动和逻辑控制的一个氮化镓芯片。此外，还有VIPerGaN系列，它集成了一颗QR反激变换器, 及一颗650伏的氮化镓功率管。ST今年已经发布了一款120mΩ（毫欧）、e-mode技术的氮化镓产品SGT120R65AL，这个产品已经大量面市，即将会有更多规格的产品发布到市场。


氮化镓相对于传统硅晶体收益是非常明显的。从上图的实际案例当中，大家可以清楚地看到，在200W电源转换产品里，相对于传统的硅晶体，氮化镓发挥了它极其高频的优势，能够把电源产品的功率密度提升3倍，同时可以有将近3个点效率的提升。这对使用者在功率效率以及密度方面是取得了非常大的帮助。
 
结语

与MCU市场一样，ST在工业市场也非常注重生态系统的构建，他们与合作伙伴构建联合实验室；用丰富的硬件和固件等资源来支持客户；也有开发和积累专业知识和技能的规划。一方面，与大学合作，一起开发和获取新的专业知识和技能；另一方面，ST也在帮助其分销渠道商和客户更多地了解产品。