【導(dǎo)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(dǎo)體和集成電路等部件往往更加復(fù)雜，它們?cè)谠O(shè)計(jì)中根深蒂固，影響很大。本文將討論工程師在開始一個(gè)產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)項(xiàng)目之前應(yīng)該考慮的關(guān)鍵因素。
新冠肺炎疫情導(dǎo)致整個(gè)電子供應(yīng)鏈長(zhǎng)期中斷。暫且不論造成短缺的導(dǎo)火索是否在新冠肺炎之前已經(jīng)出現(xiàn)，現(xiàn)實(shí)是我們現(xiàn)正經(jīng)歷漫長(zhǎng)的交付周期和嚴(yán)重的時(shí)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(zhǔn)備最充分的工程和供應(yīng)鏈團(tuán)隊(duì)也無法充分應(yīng)對(duì)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(dǎo)體和集成電路等部件往往更加復(fù)雜，它們?cè)谠O(shè)計(jì)中根深蒂固，影響很大。本文將討論工程師在開始一個(gè)產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)項(xiàng)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(dāng)新冠肺炎爆發(fā)時(shí)，全球范圍內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)封控等事件，全球經(jīng)濟(jì)迅速進(jìn)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(yuǎn)期元器件訂單，沒有人能夠預(yù)測(cè)即將發(fā)生的過山車似的行業(yè)態(tài)勢(shì)。但消費(fèi)者并沒有無源地變?yōu)椤半[士”，而是開始在網(wǎng)上消費(fèi)，許多在線零售商面臨的訂單量呈對(duì)數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。隨著辦公室員工轉(zhuǎn)移到家中工作，以及教育機(jī)構(gòu)進(jìn)行在線教學(xué)，對(duì)基本消費(fèi)技術(shù)的需求突然激增。隨著車輛污染的大幅下降，人們?cè)诋?dāng)?shù)鼐植凯h(huán)境中花費(fèi)的時(shí)間也越來越多，許多消費(fèi)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(chǎng)對(duì)電動(dòng)汽車的需求迅速增長(zhǎng)，進(jìn)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(yán)重的元器件短缺。根據(jù)研究機(jī)構(gòu)Gartner的報(bào)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(fù)工，生產(chǎn)量也在增加。盡管市場(chǎng)需求仍超過產(chǎn)出，Gartner預(yù)測(cè)情況將繼續(xù)改善（參見圖1）。
圖1：半導(dǎo)體庫(kù)存預(yù)測(cè)。（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(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)和脆弱性，這使得許多團(tuán)隊(duì)重新評(píng)估現(xiàn)有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
確定合作途徑的風(fēng)險(xiǎn)和重要性
供應(yīng)鏈中斷問題并非新冠肺炎時(shí)期所獨(dú)有，洪水、地震等影響重要地區(qū)制造業(yè)的自然災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，因此電子供應(yīng)鏈專業(yè)人員需要精心應(yīng)對(duì)。大多數(shù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(gòu)買，除非它們需要具有獨(dú)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(jì)（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(huì)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(shí)，工程和供應(yīng)鏈團(tuán)隊(duì)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(xì)分析元器件參數(shù)值、物理尺寸、形狀因素和正式認(rèn)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(duì)于像微控制器這樣的專業(yè)IC，想找到合適的替代品要復(fù)雜得多。這些器件和許多其他IC都深深植根于設(shè)計(jì)之中，因此尋找替代微控制器可能需要對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行根本性的更改。要做到這一點(diǎn)，工程團(tuán)隊(duì)需要仔細(xì)審核產(chǎn)品的架構(gòu)，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(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(gè)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(shí)間范圍內(nèi)增加產(chǎn)量，或許即將有適量庫(kù)存。盡管元器件最初可能會(huì)通過分配來供應(yīng)，但短缺可能是暫時(shí)的。
審核設(shè)計(jì)
在本文這一部分，我們將重點(diǎn)討論微控制器。在審查帶來的可能變化時(shí)，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(tuán)隊(duì)還必須分析工程團(tuán)隊(duì)可能考慮的替代品供貨是否現(xiàn)實(shí)。
在遷移微控制器平臺(tái)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(shè)備？它是用可移植的高級(jí)語言（如C）編寫，還是用較低級(jí)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(huì)涉及到通過MCU端口和通道與現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)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(duì)主要代碼更改的需要。
程序庫(kù)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)器及其它固件：供應(yīng)商提供的設(shè)備驅(qū)動(dòng)器和程序庫(kù)有助于加快所有MCU應(yīng)用的開發(fā)。例如，使用庫(kù)函數(shù)來控制MEMS加速計(jì)，能夠幫助開發(fā)人員專注于所需應(yīng)用，而不是復(fù)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(jī)MCU上的功能進(jìn)行操作。
跨平臺(tái)RTOS/操作系統(tǒng)：更復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)可以使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）來調(diào)度任務(wù)并優(yōu)先考慮與時(shí)間相關(guān)的活動(dòng)。您當(dāng)前的設(shè)計(jì)是否使用RTOS？它還支持哪些其它微控制器平臺(tái)，以及它對(duì)MCU所要求的硬件參數(shù)是什么？
微控制器平臺(tái)決策：大致分為三類。
MCU架構(gòu)：您正在使用的當(dāng)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(dāng)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)?dǎo)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)品來替代當(dāng)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(jì)時(shí)器、計(jì)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(diǎn)單元等。連接選項(xiàng)多種多樣，從簡(jiǎn)單的GPIO到更復(fù)雜的基于協(xié)議的通信，如USB、CAN和以太網(wǎng)等。您當(dāng)前的設(shè)計(jì)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(jì)。
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(huì)帶來一些并發(fā)問題，因此這也需要仔細(xì)審核。電池壽命是許多便攜式和手持設(shè)備的一個(gè)重要考慮因素，因此這方面的問題需要進(jìn)行詳細(xì)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(duì)不同MCU系列做相應(yīng)更改。此外，許多工程團(tuán)隊(duì)在其產(chǎn)品組合中利用平臺(tái)方法開發(fā)和支持廣泛的最終產(chǎn)品。MCU和IDE的改變對(duì)正在進(jìn)行的產(chǎn)品開發(fā)和后期設(shè)計(jì)支持活動(dòng)具有深遠(yuǎn)影響。
微控制器遷移更多注意事項(xiàng)
除了微控制器做出的決定，工程師在開始項(xiàng)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(xiàng)，但工程團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該檢查產(chǎn)品設(shè)計(jì)的所有方面。
PCB返工和重新設(shè)計(jì)：這個(gè)問題之前已經(jīng)強(qiáng)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(fù)雜元器件所需的電路板重新設(shè)計(jì)將會(huì)導(dǎo)致大量工程工作量和成本。對(duì)于產(chǎn)品的長(zhǎng)期支持，它增加了一個(gè)產(chǎn)品變體的復(fù)雜性。但這可能會(huì)提供機(jī)會(huì)來更新產(chǎn)品的規(guī)格參數(shù)，并納入那些已經(jīng)被認(rèn)為可行的新功能。
遵從法規(guī)和安全認(rèn)證：產(chǎn)品合規(guī)性包括無線類型認(rèn)證、國(guó)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(dǎo)致產(chǎn)品合規(guī)性失效，需要再進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的產(chǎn)品測(cè)試，并需要聘請(qǐng)授權(quán)的產(chǎn)品測(cè)試機(jī)構(gòu)。在開始任何遷移項(xiàng)目之前，產(chǎn)品工程團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)為公司管理層準(zhǔn)備一份詳細(xì)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。
云端和無線連接：許多產(chǎn)品設(shè)計(jì)可能需要依賴無線以實(shí)現(xiàn)與基于云端系統(tǒng)或智能手機(jī)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(kù)或無線模塊驅(qū)動(dòng)器，并且需要足夠的時(shí)間來完成測(cè)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(huì)與公司控制范圍之外的其他系統(tǒng)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(yīng)用尤其如此。比較謹(jǐn)慎的做法是調(diào)查這些可能的變化是否需要對(duì)第三方應(yīng)用進(jìn)行重新認(rèn)證。
仔細(xì)分析是微控制器平臺(tái)遷移的關(guān)鍵
在一段時(shí)間內(nèi)，元器件短缺將繼續(xù)是電子行業(yè)面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)，因此產(chǎn)品制造商正在不斷審查這些對(duì)其生產(chǎn)計(jì)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(gè)微控制器平臺(tái)時(shí)所面臨的一些挑戰(zhàn)和需要重點(diǎn)考慮的問題。
工程團(tuán)隊(duì)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(yù)測(cè)和建議。
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