与时俱进，聚焦中国智造之光电芯
1 先进制造心“芯”向荣的光电结合
中国经济进入由高速增长转向高质量发展新常态后，“中国制造”在向“中国智造”转变，并驱动先进制造领域的需求持续增长。《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》、《工业4.0 战略实施计划》等政策持续推动着工业生产自动化、关键环节数字化及产品生命周期企业集成化，核心部件国产化突破是工控领域发展的重点。
先进制造核心离不开“精密”两个字，精密加工意味着钉铆之间、退进之时必须分毫不差，这背后仰赖电脑中枢严密地发号施令，才能确保各部件运动精确可控，其中至关重要的一个部件就是光电编码器，而光电芯片就是它的核心。然而，该技术长期被国外公司垄断，但是近年来国内也开始多方尝试推动国产化替代。通过与苏州安必轩微电子有限公司董事长蔡激文访谈，我们了解到光电芯片国产化的前景广阔。中国先进制造的领域得到国家的全力支持，且发展国内技术及外延式拓展也已经取得阶段性成果。
蔡激文谈到，中国作为伺服系统制造大国，在高精度、强稳定性、高响应速度等技术方面与国际先进水平存在差距，尚未成长为制造强国。伺服系统是由光电编码器、伺服电机与驱动控制系统组成的，编码器的精准度直接决定伺服系统效果。其原理和应用如图1 所示。
图1 光电编码器芯片的原理及应用
鉴于编码器是一个集光、机、电三种技术于一体的精密设备，设计制造难度极高，导致其成本始终居高不下。尽管近年来国内很多厂家投入了大量资金和人力使得编码器价格逐渐趋低，但由于核心芯片长期被国外公司垄断，编码器价格还是处于高位。可喜的是，经过几年的不懈努力和尝试，安必轩于2018 年成功研发出可以完全替代进口编码器核心芯片产品，使得百元级光电编码器成为可能，完全消除了光电编码器核心芯片被禁运的风险。
安必轩的光电编码器芯片解决了长期以来困扰编码器的几个问题：
①编码器使用环境通常比较恶劣，面临水汽、灰尘和油污逐渐沉积在码盘上的状况，影响编码器的精度，甚至导致编码器无法工作。
②传统编码器安装调试需要有经验的技术人员才可以完成，难以实现自动化生产。
③传统编码器结构复杂，加工成本高昂。在芯片设计和算法设计时，安必轩率先考虑了解决上述问题的具体办法，其光电编码器完美解决了上述问题。自从2018 年产品推出以来，其设计理念得到认可，并已经推出系列产品，开始批量应用，得到客户的绝对性认可。
2 工业应用焕然一“芯”的光电创新
光电编码器芯片的应用领域非常之广，既有高精尖的航空航天和军工装备，也有高大上的精密数控机床和各种智能自动化设备，还扩展到民用普及型产品。涉及高精度、闭环调速系统和伺服系统的转速测量都需要支持角位移、线位移信息的测量和传递，对光电编码器芯片的需求就在于此。由于此类芯片属于光敏器件，光电结合紧密且工艺特殊，对参数控制要求较高，需要在温条件（如110℃）下持续工作7 天24 小时不间断，还要保证信号形态正常，且电流输出能力较大，有特殊的封装工艺要求，是国产化的壁垒。
凭借对于行业应用的深刻理解和经验积累，以及深厚的光电集成化芯片技术积淀，安可轩完全掌握核心技术并拥有自主知识产权，其光电传感技术国际领先。蔡激文指出，正向设计是创新的关键，也是其成为国内唯一能够如此坚持和坚守的光电芯片公司，使得工艺不断优化，并参与封测工艺研发定型，以提高封装良品率。图2 为高端光电编码器芯片框图及产品形态。
芯片
图2 高端光电编码器芯片框图及产品形态
光电编码器单片系统（SoC）具有很高的集成度，其微控制器（MCU） 核心为RISC-V，还集成了数字信号处理器（DSP）单元、高速高精度模拟数字转换器（ADC）、低噪声运算放大器，还有高灵敏度光电感应阵列。中国是一个规模可以达到每年1000万套的市场，低端产品的国产化基本实现，而高端产品则需要挑战日本和德国两家公司。所幸安可轩量产芯片以更高的集成度超过国外竞品性能，这源于核心芯片和算法均为自主研发，可以确保整机性能优异而成本较低，装配难度小，性价比高。相比国外公司，由于芯片和算法都为自用，所以价格居高不下，虽然整机性能不错，但整机成本较高，装配难度大，性价比很低。通过高性价比解决方案实现下游客户需要的功能参数是编码器行业打破竞争壁垒，更好地响应客户需求，以差异化、定制化服务客户的关键。客户一旦成功采用解决方案，后续产品设计便可标准化输出，黏性较强。而后进入者如要抢占份额，不仅需要合格的产品服务，更需要较长的产品论证周期。总而言之，国产化光电编码芯片将有助于提升整体先进制造行业的效益。
国内首创的特殊生产工艺保证安必轩的光电芯片产品性能超群，其所拥有的多项发明专利更是使技术保持优势的根本，其中包括首创的自动校准单元，以显著提高编码器精度、独创快速迭代算法达到解码速度快准稳，新型结构减少装配误差并提高装配速度，云端自动校准支持客户零基础生产。下游行业对高精密设备需求不断提升，伺服系统的应用范围在不断扩大，倒逼产品性能提升。光电编码芯片高端应用包括精密机床、注塑机、高端机器人、风电设备、3D 打印机、医疗设备等；中端应用有电梯、数控机床、角度测试仪、无人机吊舱、电力系统、汽车、太阳能平台等；低端应用包含工业应用的纺织机器、工业机械臂、传送带、轨交闸机等，以及民用的扫地机器人、安防监控摄像头、旋钮等。
3 集成电路随“芯”所遇的光电情结
任何一个产品的成功都离不开天时、地利、人和，对此蔡激文颇有感慨。
“天时”就是赶上中国先进制造突飞猛进的潮流，是进行专属技术创新和开拓一个行业细分市场的最佳机遇。2019 年成立之初，安必轩产品就列入《中国制造2025》的国家行动纲领，面对巨大的市场需求。据QYResearch 预测，2025 年将达到140 亿美元（1 美元约为人民币6.5 元），而这也是国际形势推动进口替代的绝佳机会。
“地利”就是得到地方政府给予创新型高科技企业全方位支持，以及区域性产业链的配套优势。安必轩选择落户在苏州高新区，最重要的原因就是当地政府对集成电路产业的支持，政府提供研发补贴、设备补贴、流片补贴、销售奖励和地方贡献奖励。《苏州高新区关于鼓励企业上市（挂牌）的若干意见的通知》也为未来的企业上市铺平了道路。一系列人才支持政策充分体现了以人为本的关爱。
“人和”就是解决光电芯片行业发展所受人才制约。国内芯片行业设计能力虽没有落后，由于国外对手太多，国内光电芯片涉足较少，人才稀缺。蔡激文作为强有力的领军人物，一手打造他的“梦之队”。核心团队学历背景全部硕士以上，由美国硅谷海归领衔，清华与上海交大精英为团队班底，科班出身带着强大且专业的学术背景，并一直从事集成电路行业；精通各类IC 设计方案；熟图3悉全球流片封测产线；有完整的 IC产业化经验。
图3 光电传感技术的延申及拓展应用
“安必轩已经在光电编码器领域实现突破，达到国内唯一、国际领先水平”，蔡激文说：“作为光电传感技术全场景解决方案提供商，安必轩肯定不会停留在光电编码器这一个产品线，未来安必轩会充分发挥已经取得的成功经验，逐步进入其他光电芯片的细分领域，如光电隔离驱动、光电隔离放大、单芯片接近开关、心率监测、血氧监测、距离检测等，打开千亿市场版图，并立志成为行业的领头羊，为中国‘智’造贡献力量”。
（本文来源于必威娱乐平台
杂志2021年11月期）
加入微信
获取电子行业最新资讯
搜索微信公众号：EEPW
或用微信扫描左侧二维码
