【導讀】雖然某些元器件比其他產(chǎn)品更容易找到替代方案，但半導體和集成電路等部件往往更加復雜，它們在設計中根深蒂固，影響很大。本文將討論工程師在開(kāi)始一個(gè)產(chǎn)品重新設計項目之前應該考慮的關(guān)鍵因素。
新冠肺炎疫情導致整個(gè)電子供應鏈長(cháng)期中斷。暫且不論造成短缺的導火索是否在新冠肺炎之前已經(jīng)出現，現實(shí)是我們現正經(jīng)歷漫長(cháng)的交付周期和嚴重的時(shí)間推遲，這已經(jīng)影響到從無(wú)源元件到無(wú)線(xiàn)模塊等所有一切。即便是準備最充分的工程和供應鏈團隊也無(wú)法充分應對行業(yè)目前面臨的深度和廣度短缺。
雖然某些元器件比其他產(chǎn)品更容易找到替代方案，但半導體和集成電路等部件往往更加復雜，它們在設計中根深蒂固，影響很大。本文將討論工程師在開(kāi)始一個(gè)產(chǎn)品重新設計項目之前應該考慮的關(guān)鍵因素。
前所未有的元器件短缺
兩年前，當新冠肺炎爆發(fā)時(shí)，全球范圍內經(jīng)常出現封控等事件，全球經(jīng)濟迅速進(jìn)入未知領(lǐng)域，許多公司也面臨著(zhù)更加不確定的未來(lái)，制造業(yè)下調了產(chǎn)量，取消了遠期元器件訂單，沒(méi)有人能夠預測即將發(fā)生的過(guò)山車(chē)似的行業(yè)態(tài)勢。但消費者并沒(méi)有無(wú)源地變?yōu)椤半[士”，而是開(kāi)始在網(wǎng)上消費，許多在線(xiàn)零售商面臨的訂單量呈對數級增長(cháng)。隨著(zhù)辦公室員工轉移到家中工作，以及教育機構進(jìn)行在線(xiàn)教學(xué)，對基本消費技術(shù)的需求突然激增。隨著(zhù)車(chē)輛污染的大幅下降，人們在當地局部環(huán)境中花費的時(shí)間也越來(lái)越多，許多消費者希望未來(lái)的交通方式更加環(huán)保和可持續。隨著(zhù)封控的放松，市場(chǎng)對電動(dòng)汽車(chē)的需求迅速增長(cháng)，進(jìn)一步加劇了汽車(chē)電子供應鏈的壓力。
2021年，從無(wú)源元件到集成電路和顯示器，電子行業(yè)面臨嚴重的元器件短缺。根據研究機構Gartner的報告，到2021第四季度，元器件市場(chǎng)正在改善。元器件制造人員正在復工，生產(chǎn)量也在增加。盡管市場(chǎng)需求仍超過(guò)產(chǎn)出，Gartner預測情況將繼續改善（參見(jiàn)圖1）。
圖1：半導體庫存預測。（來(lái)源Gartner 2022）
終端產(chǎn)品制造商在元器件供應鏈中仍然存在相當大的風(fēng)險和脆弱性，這使得許多團隊重新評估現有的產(chǎn)品設計。
確定合作途徑的風(fēng)險和重要性
供應鏈中斷問(wèn)題并非新冠肺炎時(shí)期所獨有，洪水、地震等影響重要地區制造業(yè)的自然災害時(shí)有發(fā)生，因此電子供應鏈專(zhuān)業(yè)人員需要精心應對。大多數產(chǎn)品設計都采用較高比例的無(wú)源元件，其次是一些IC和模塊，如微控制器、電源管理器件（PMIC）、傳感器和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器等。無(wú)源元件一般是以通用商品購買(mǎi)，除非它們需要具有獨特的參數值或特性。理想情況下，第二供貨源替代方案應該被確定為可制造設計（DFM）戰略的一部分。即便如此，某些特定類(lèi)型的電容器，例如多層陶瓷電容器（MLCC），也會(huì )經(jīng)常出現“劃撥供貨”。
毫無(wú)疑問(wèn)，電子行業(yè)在解決部件短缺問(wèn)題時(shí)，工程和供應鏈團隊之間的合作至關(guān)重要。不斷審查第二供貨源或第三供貨源需要仔細分析元器件參數值、物理尺寸、形狀因素和正式認證。
DFM策略還應確定那些不容易尋找第二供貨源的元器件。對于像微控制器這樣的專(zhuān)業(yè)IC，想找到合適的替代品要復雜得多。這些器件和許多其他IC都深深植根于設計之中，因此尋找替代微控制器可能需要對產(chǎn)品設計進(jìn)行根本性的更改。要做到這一點(diǎn)，工程團隊需要仔細審核產(chǎn)品的架構，并分析所需采取的行動(dòng)是否能夠與同一家微控制器供應商保持一致，并選擇更容易獲得的部件，還是要更換供應商。這些決定影響巨大，需要采取知情透明的做法。該過(guò)程的另一個(gè)方面是與元器件供應商及其授權分銷(xiāo)商保持經(jīng)常聯(lián)系，以了解供應商是否已經(jīng)努力在您的供貨時(shí)間范圍內增加產(chǎn)量，或許即將有適量庫存。盡管元器件最初可能會(huì )通過(guò)分配來(lái)供應，但短缺可能是暫時(shí)的。
審核設計
在本文這一部分，我們將重點(diǎn)討論微控制器。在審查帶來(lái)的可能變化時(shí)，微控制器或許是最多應與考慮的。它還代表著(zhù)其他IC和模塊，如無(wú)線(xiàn)和專(zhuān)業(yè)模擬IC等。在審核過(guò)程中，供應鏈團隊還必須分析工程團隊可能考慮的替代品供貨是否現實(shí)。
在遷移微控制器平臺時(shí)需要考慮的因素包括：
代碼可移植性：代碼是否可以輕松移植到其他設備？它是用可移植的高級語(yǔ)言（如C）編寫(xiě)，還是用較低級別或更依賴(lài)硬件的語(yǔ)言編寫(xiě)？代碼是否采用了供應商專(zhuān)用硬件抽象規范與外圍端口通信？任何嵌入式開(kāi)發(fā)從本質(zhì)上都會(huì )涉及到通過(guò)MCU端口和通道與現實(shí)世界進(jìn)行大量交互，因此這些挑戰始終存在。具有全局端口分配和聲明的良好架構代碼能夠大大減少對主要代碼更改的需要。
程序庫、設備驅動(dòng)器及其它固件：供應商提供的設備驅動(dòng)器和程序庫有助于加快所有MCU應用的開(kāi)發(fā)。例如，使用庫函數來(lái)控制MEMS加速計，能夠幫助開(kāi)發(fā)人員專(zhuān)注于所需應用，而不是復雜的傳感器內部操作。然而，它可能不適合于所有語(yǔ)言，或者它可能利用主機MCU上的功能進(jìn)行操作。
跨平臺RTOS/操作系統：更復雜的嵌入式系統可以使用實(shí)時(shí)操作系統（RTOS）來(lái)調度任務(wù)并優(yōu)先考慮與時(shí)間相關(guān)的活動(dòng)。您當前的設計是否使用RTOS？它還支持哪些其它微控制器平臺，以及它對MCU所要求的硬件參數是什么？
微控制器平臺決策：大致分為三類(lèi)。
MCU架構：您正在使用的當前設備架構是什么？8位，32位？指令集架構也是重要信息，Arm、8051、AVR、還是RISC-V？也許您當前的供應商已經(jīng)提供了具有相同內部架構的類(lèi)似設備，并且可以廣泛獲取。若采用不同的封裝尺寸，這其中將涉及電路板布局問(wèn)題，或將導致大量返工和不可回收的工程成本。一個(gè)非常理想的場(chǎng)景是找到一個(gè)引腳和軟件兼容的產(chǎn)品來(lái)替代當前MCU；然而，這種可能性非常小。
MCU功能：現代微控制器具有大量外圍和基本功能，其中包括模數轉換器、計時(shí)器、計數器和脈寬調制器等。然后是安全單元、加密加速器和浮點(diǎn)單元等。連接選項多種多樣，從簡(jiǎn)單的GPIO到更復雜的基于協(xié)議的通信，如USB、CAN和以太網(wǎng)等。您當前的設計利用了哪些功能？此外，潛在器件的引腳排列將極大地影響電路板布局，需要成本昂貴的完整電路板重新設計。
改換微控制器還需要檢查新IC的功耗曲線(xiàn)。替代微控制器的睡眠模式和方法通常會(huì )帶來(lái)一些并發(fā)問(wèn)題，因此這也需要仔細審核。電池壽命是許多便攜式和手持設備的一個(gè)重要考慮因素，因此這方面的問(wèn)題需要進(jìn)行詳細分析。
工具鏈支持：嵌入式開(kāi)發(fā)人員通常依賴(lài)于集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）來(lái)編程和調試微控制器。貴公司使用哪一種？流行的商業(yè)IDE涉及軟件許可證，可能需要針對不同MCU系列做相應更改。此外，許多工程團隊在其產(chǎn)品組合中利用平臺方法開(kāi)發(fā)和支持廣泛的最終產(chǎn)品。MCU和IDE的改變對正在進(jìn)行的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和后期設計支持活動(dòng)具有深遠影響。
微控制器遷移更多注意事項
除了微控制器做出的決定，工程師在開(kāi)始項目遷移之前必須考慮幾個(gè)相關(guān)因素。下面討論的是一些主要事項，但工程團隊應該檢查產(chǎn)品設計的所有方面。
PCB返工和重新設計：這個(gè)問(wèn)題之前已經(jīng)強調，其影響不應被忽視。根據產(chǎn)品的具體特性，更換復雜元器件所需的電路板重新設計將會(huì )導致大量工程工作量和成本。對于產(chǎn)品的長(cháng)期支持，它增加了一個(gè)產(chǎn)品變體的復雜性。但這可能會(huì )提供機會(huì )來(lái)更新產(chǎn)品的規格參數，并納入那些已經(jīng)被認為可行的新功能。
遵從法規和安全認證：產(chǎn)品合規性包括無(wú)線(xiàn)類(lèi)型認證、國家和地區產(chǎn)品安全、以及功能和電氣安全等。即便是元器件和操作軟件的微小變化，也可能導致產(chǎn)品合規性失效，需要再進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的產(chǎn)品測試，并需要聘請授權的產(chǎn)品測試機構。在開(kāi)始任何遷移項目之前，產(chǎn)品工程團隊應為公司管理層準備一份詳細的關(guān)于產(chǎn)品變更、相關(guān)成本和可能時(shí)間表的詳盡分析。
云端和無(wú)線(xiàn)連接：許多產(chǎn)品設計可能需要依賴(lài)無(wú)線(xiàn)以實(shí)現與基于云端系統或智能手機app的連接。所建議的硬件更改是否會(huì )影響產(chǎn)品的連接性和功能集？這些操作可能涉及更改軟件庫或無(wú)線(xiàn)模塊驅動(dòng)器，并且需要足夠的時(shí)間來(lái)完成測試。
與第三方生態(tài)系統的接口：除了潛在的連接更改外，您的產(chǎn)品可能還會(huì )與公司控制范圍之外的其他系統進(jìn)行交互。物聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT/IIoT）或家庭自動(dòng)化等應用尤其如此。比較謹慎的做法是調查這些可能的變化是否需要對第三方應用進(jìn)行重新認證。
仔細分析是微控制器平臺遷移的關(guān)鍵
在一段時(shí)間內，元器件短缺將繼續是電子行業(yè)面臨的一個(gè)挑戰，因此產(chǎn)品制造商正在不斷審查這些對其生產(chǎn)計劃的影響。
在本文中，我們著(zhù)重介紹了終端產(chǎn)品制造商在可能決定需要遷移到另一個(gè)微控制器平臺時(shí)所面臨的一些挑戰和需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。
工程團隊需要不斷與供應鏈同事保持密切合作，并充分利用元器件分銷(xiāo)商和供應商提供的工具、預測和建議。
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