“健康”、“環(huán)保”是近年全球媒體報道中最熱門的關鍵詞之一，而這些熱點概念背后是巨大的產業(yè)商機，具體到電子行業(yè)而言包括家用及便攜醫(yī)療電子設備、低功耗節(jié)能技術，如icle/index.aspx?id=22888">智能電表等等。在首屆深圳集成電路創(chuàng)新應用展上發(fā)表的“珠三角電子產業(yè)最新現(xiàn)狀及國產IC機會”的報告中，智能電表和便攜醫(yī)療也分別成為了五大潛力應用之一。該報告透露，僅便攜式醫(yī)療設備深圳就有上百家相關制造商，智能電表在深圳也匯聚了科陸電子、開發(fā)科技、思達儀表、龍電和浩寧達等國內業(yè)界知名廠商。
然而，一邊廂研討會討論的全球熱點，而另一邊廂是本土IC參展商的“冷眼”——在本屆展會上幾乎難以見到本土集成電路設計企業(yè)相關的產品方案展示，僅深圳芯海科技展臺展出了單相防竊電數(shù)字電表和便攜醫(yī)療方案，以及上海貝嶺展臺提供了數(shù)字電表相關解決方案。何以現(xiàn)實可見的熱點卻成了剃頭匠的挑子一頭熱呢？“相對于展場中可見的大量電源、LED驅動、便攜娛樂產品方案而言，醫(yī)療電子具有很高的技術和市場門檻。”某參展商副總經理道出了其中原委，而數(shù)字電表同樣具有類似的技術和市場門檻。
智能電表產品的核心芯片是計量芯片，其關鍵技術是對互感器采集的電壓、電流信號進行模數(shù)轉換。類似地，對于眾多醫(yī)療電子產品來說，大部分的工作機理都是利用對傳感器采集的病人生理信號進行數(shù)字轉換，并通過后端的微處理器做出基本診斷，其中信號采集的模數(shù)轉換器也是其中的關鍵器件，其性能決定了最終產品的整體性能。
圖1：基于芯海CS7780芯片的單相防竊電電表典型應用。
“目前，具有高精度ADC設計技術的國內企業(yè)寥寥，ADC的精度、功耗、抗干擾性、一致性與穩(wěn)定性都是非常具有挑戰(zhàn)性的關鍵技術，這導致了本土集成電路企業(yè)鮮有問津這些產品領域的。”芯海科技設計部總監(jiān)劉小靈表示。具體而言，在高精度ADC設計中主要存在以下挑戰(zhàn)：量化噪聲及模擬部分各種器件的熱噪聲、1/f噪聲，甚至數(shù)字電路隨時鐘節(jié)拍運行時產生的襯底噪聲和電源噪聲，這些噪聲源都嚴重地影響高精度調制器的性能；高精度的ADC的高性能DSP濾波器模塊也起著至關重要的作用，既要保證足夠高的信噪比，又要考慮系統(tǒng)對信號的延遲；由于高精度ADC所探測的信號非常微弱，必須要通過前置放大器對信號進行放大來提高信噪比，而前置放大器在放大信號的同時自身也會產生噪聲，并且會限制系統(tǒng)的共模輸入范圍，增加系統(tǒng)成本及功耗。
圖2：基于CSU12xx和CUS10xx系列SoC的電子血壓計。
熟悉模擬電路設計的工程師都非常清楚，解決這些技術挑戰(zhàn)通常依賴于工程師的設計經驗。 “芯海ADC相關產品的核心設計團隊均具有超過十年的模擬產品設計經驗，這幫助我們克服了技術上的挑戰(zhàn)。”劉小靈指出。據悉，該公司在上述關鍵技術攻關過程中共申請了“低溫度系數(shù)帶隙基準源”、“信號采樣保持電路”、“一種電壓調整裝置”、“門控時鐘產生電路”等多項專門針對高精度ADC的專利。“例如，為改進高精度Σ-Δ調制器的性能，我們在模擬部分設計充分考慮了這些噪聲的調制和成型，創(chuàng)新性地使用了四階隨機斬波Σ-Δ調制器，利用調制器后面的降采樣濾波器，我們可以將高頻部分（基帶以外）的量化噪聲濾除，這樣我們就得到了信噪聲比極高的量化信號。” 劉小靈進一步詳細闡述。
目前，該公司的高性能ADC技術已經獲得國內超過千家整機廠商的采用，廣泛應用于工業(yè)過程控制、衡器、便攜式醫(yī)療設備等領域。據劉小靈透露，該公司將分別在今明年針對國家電網和南方電網推出完全符合國內標準的電力計量芯片CSE7780和CS77xx系列，目前CSE7780系列已經進入流片階段并已完成完整方案原型設計。明年該公司還將繼續(xù)推出專門針對血壓計市場的專用芯片和完整方案。芯海科技在工業(yè)應用領域已經成功推出多個系列的集成高性能ADC技術的SoC方案，為什么沒有針對電力計量應用推出SoC方案呢？“目前國內數(shù)字電表基本上都沒有采用SoC方案，主要是主管機構對可靠性方面的考慮。”劉小靈指出，“在市場出現(xiàn)對SoC方案一定接受度條件下，我們完全有能力即時推出相關方案。”
作為電力計量和醫(yī)療應用而言，技術的門檻只是其一，而市場的門檻某些時候可能更高，事實上，集成電路設計企業(yè)中不乏具有較好技術而鎩羽而歸的案例。“除了具有完全的自主知識產權，我們在電表領域、衡器領域耕耘多年，有豐富的客戶基礎與行業(yè)推廣經驗，”芯海科技銷售總監(jiān)桑仁東指出，“我們將積極推行代理商的發(fā)展路線，與本土有實力的整機企業(yè) 和IDH緊密合作，給客戶提供更具綜合競爭優(yōu)勢的“Turn Key ”方案，體現(xiàn)本土領先IC設計公司的優(yōu)勢。”對于如何克服市場門檻，芯海科技似乎已經成竹在胸。
權威數(shù)據顯示，2012年至2015年僅國內新安裝智能電表數(shù)就將達到8,000萬個，而2009年中國醫(yī)療電子市場已經超過200億元的規(guī)模。如此龐大的市場規(guī)模背后，相關產品中卻鮮見本土集成電路的蹤影。近年來，本土集成電路設計企業(yè)已經成功實現(xiàn)在諸多領域為中國制造烙下中國創(chuàng)造的印跡，相信隨著像芯海科技這樣的本土企業(yè)在克服技術和市場的門檻后，會續(xù)寫同樣的精彩。