【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(shè)計中根深蒂固，影響很大。本文將討論工程師在開始一個產(chǎn)品重新設(shè)計項目之前應(yīng)該考慮的關(guān)鍵因素。
新冠肺炎疫情導致整個電子供應(yīng)鏈長期中斷。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(xiàn)，現(xiàn)實是我們現(xiàn)正經(jīng)歷漫長的交付周期和嚴重的時間推遲，這已經(jīng)影響到從無源元件到無線模塊等所有一切。即便是準備最充分的工程和供應(yīng)鏈團隊也無法充分應(yīng)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(shè)計中根深蒂固，影響很大。本文將討論工程師在開始一個產(chǎn)品重新設(shè)計項目之前應(yīng)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，全球范圍內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)封控等事件，全球經(jīng)濟迅速進入未知領(lǐng)域，許多公司也面臨著更加不確定的未來，制造業(yè)下調(diào)了產(chǎn)量，取消了遠期元器件訂單，沒有人能夠預測即將發(fā)生的過山車似的行業(yè)態(tài)勢。但消費者并沒有無源地變?yōu)椤半[士”，而是開始在網(wǎng)上消費，許多在線零售商面臨的訂單量呈對數(shù)級增長。隨著辦公室員工轉(zhuǎn)移到家中工作，以及教育機構(gòu)進行在線教學，對基本消費技術(shù)的需求突然激增。隨著車輛污染的大幅下降，人們在當?shù)鼐植凯h(huán)境中花費的時間也越來越多，許多消費者希望未來的交通方式更加環(huán)保和可持續(xù)。隨著封控的放松，市場對電動汽車的需求迅速增長，進一步加劇了汽車電子供應(yīng)鏈的壓力。
2021年，從無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(jù)研究機構(gòu)Gartner的報告，到2021第四季度，元器件市場正在改善。元器件制造人員正在復工，生產(chǎn)量也在增加。盡管市場需求仍超過產(chǎn)出，Gartner預測情況將繼續(xù)改善（參見圖1）。
圖1：半導體庫存預測。（來源Gartner 2022）
終端產(chǎn)品制造商在元器件供應(yīng)鏈中仍然存在相當大的風險和脆弱性，這使得許多團隊重新評估現(xiàn)有的產(chǎn)品設(shè)計。
確定合作途徑的風險和重要性
供應(yīng)鏈中斷問題并非新冠肺炎時期所獨有，洪水、地震等影響重要地區(qū)制造業(yè)的自然災害時有發(fā)生，因此電子供應(yīng)鏈專業(yè)人員需要精心應(yīng)對。大多數(shù)產(chǎn)品設(shè)計都采用較高比例的無源元件，其次是一些IC和模塊，如微控制器、電源管理器件（PMIC）、傳感器和無線收發(fā)器等。無源元件一般是以通用商品購買，除非它們需要具有獨特的參數(shù)值或特性。理想情況下，第二供貨源替代方案應(yīng)該被確定為可制造設(shè)計（DFM）戰(zhàn)略的一部分。即便如此，某些特定類型的電容器，例如多層陶瓷電容器（MLCC），也會經(jīng)常出現(xiàn)“劃撥供貨”。
毫無疑問，電子行業(yè)在解決部件短缺問題時，工程和供應(yīng)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(shù)值、物理尺寸、形狀因素和正式認證。
DFM策略還應(yīng)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(shè)計之中，因此尋找替代微控制器可能需要對產(chǎn)品設(shè)計進行根本性的更改。要做到這一點，工程團隊需要仔細審核產(chǎn)品的架構(gòu)，并分析所需采取的行動是否能夠與同一家微控制器供應(yīng)商保持一致，并選擇更容易獲得的部件，還是要更換供應(yīng)商。這些決定影響巨大，需要采取知情透明的做法。該過程的另一個方面是與元器件供應(yīng)商及其授權(quán)分銷商保持經(jīng)常聯(lián)系，以了解供應(yīng)商是否已經(jīng)努力在您的供貨時間范圍內(nèi)增加產(chǎn)量，或許即將有適量庫存。盡管元器件最初可能會通過分配來供應(yīng)，但短缺可能是暫時的。
審核設(shè)計
在本文這一部分，我們將重點討論微控制器。在審查帶來的可能變化時，微控制器或許是最多應(yīng)與考慮的。它還代表著其他IC和模塊，如無線和專業(yè)模擬IC等。在審核過程中，供應(yīng)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(xiàn)實。
在遷移微控制器平臺時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(shè)備？它是用可移植的高級語言（如C）編寫，還是用較低級別或更依賴硬件的語言編寫？代碼是否采用了供應(yīng)商專用硬件抽象規(guī)范與外圍端口通信？任何嵌入式開發(fā)從本質(zhì)上都會涉及到通過MCU端口和通道與現(xiàn)實世界進行大量交互，因此這些挑戰(zhàn)始終存在。具有全局端口分配和聲明的良好架構(gòu)代碼能夠大大減少對主要代碼更改的需要。
程序庫、設(shè)備驅(qū)動器及其它固件：供應(yīng)商提供的設(shè)備驅(qū)動器和程序庫有助于加快所有MCU應(yīng)用的開發(fā)。例如，使用庫函數(shù)來控制MEMS加速計，能夠幫助開發(fā)人員專注于所需應(yīng)用，而不是復雜的傳感器內(nèi)部操作。然而，它可能不適合于所有語言，或者它可能利用主機MCU上的功能進行操作。
跨平臺RTOS/操作系統(tǒng)：更復雜的嵌入式系統(tǒng)可以使用實時操作系統(tǒng)（RTOS）來調(diào)度任務(wù)并優(yōu)先考慮與時間相關(guān)的活動。您當前的設(shè)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(shù)是什么？
微控制器平臺決策：大致分為三類。
MCU架構(gòu)：您正在使用的當前設(shè)備架構(gòu)是什么？8位，32位？指令集架構(gòu)也是重要信息，Arm、8051、AVR、還是RISC-V？也許您當前的供應(yīng)商已經(jīng)提供了具有相同內(nèi)部架構(gòu)的類似設(shè)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題，或?qū)е麓罅糠倒ず筒豢苫厥盏墓こ坛杀?。一個非常理想的場景是找到一個引腳和軟件兼容的產(chǎn)品來替代當前MCU；然而，這種可能性非常小。
MCU功能：現(xiàn)代微控制器具有大量外圍和基本功能，其中包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、計時器、計數(shù)器和脈寬調(diào)制器等。然后是安全單元、加密加速器和浮點單元等。連接選項多種多樣，從簡單的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(shè)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(shè)計。
改換微控制器還需要檢查新IC的功耗曲線。替代微控制器的睡眠模式和方法通常會帶來一些并發(fā)問題，因此這也需要仔細審核。電池壽命是許多便攜式和手持設(shè)備的一個重要考慮因素，因此這方面的問題需要進行詳細分析。
工具鏈支持：嵌入式開發(fā)人員通常依賴于集成開發(fā)環(huán)境（IDE）來編程和調(diào)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(yīng)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發(fā)和支持廣泛的最終產(chǎn)品。MCU和IDE的改變對正在進行的產(chǎn)品開發(fā)和后期設(shè)計支持活動具有深遠影響。
微控制器遷移更多注意事項
除了微控制器做出的決定，工程師在開始項目遷移之前必須考慮幾個相關(guān)因素。下面討論的是一些主要事項，但工程團隊應(yīng)該檢查產(chǎn)品設(shè)計的所有方面。
PCB返工和重新設(shè)計：這個問題之前已經(jīng)強調(diào)，其影響不應(yīng)被忽視。根據(jù)產(chǎn)品的具體特性，更換復雜元器件所需的電路板重新設(shè)計將會導致大量工程工作量和成本。對于產(chǎn)品的長期支持，它增加了一個產(chǎn)品變體的復雜性。但這可能會提供機會來更新產(chǎn)品的規(guī)格參數(shù)，并納入那些已經(jīng)被認為可行的新功能。
遵從法規(guī)和安全認證：產(chǎn)品合規(guī)性包括無線類型認證、國家和地區(qū)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(guī)性失效，需要再進行長時間的產(chǎn)品測試，并需要聘請授權(quán)的產(chǎn)品測試機構(gòu)。在開始任何遷移項目之前，產(chǎn)品工程團隊應(yīng)為公司管理層準備一份詳細的關(guān)于產(chǎn)品變更、相關(guān)成本和可能時間表的詳盡分析。
云端和無線連接：許多產(chǎn)品設(shè)計可能需要依賴無線以實現(xiàn)與基于云端系統(tǒng)或智能手機app的連接。所建議的硬件更改是否會影響產(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線模塊驅(qū)動器，并且需要足夠的時間來完成測試。
與第三方生態(tài)系統(tǒng)的接口：除了潛在的連接更改外，您的產(chǎn)品可能還會與公司控制范圍之外的其他系統(tǒng)進行交互。物聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT/IIoT）或家庭自動化等應(yīng)用尤其如此。比較謹慎的做法是調(diào)查這些可能的變化是否需要對第三方應(yīng)用進行重新認證。
仔細分析是微控制器平臺遷移的關(guān)鍵
在一段時間內(nèi)，元器件短缺將繼續(xù)是電子行業(yè)面臨的一個挑戰(zhàn)，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微控制器平臺時所面臨的一些挑戰(zhàn)和需要重點考慮的問題。
工程團隊需要不斷與供應(yīng)鏈同事保持密切合作，并充分利用元器件分銷商和供應(yīng)商提供的工具、預測和建議。
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