新的STM32H7R/S微控制器将嵌入式应用性能提高到一个新水平，适合新一代智能工厂、建筑、基础设施和健康监测设备

服务多重电子应用领域、全球排名前列的半导体公司意法半导体(STMicroelectronics,简称ST;纽约证券交易所代码:STM) 发布了一款新的集MPU和MCU两者之长的高性能产品。微处理器(MPU)系统通常更加复杂，处理性能、系统扩展性和数据安全性更高，而微控制器(MCU)系统的优势是简单和集成度高。取两者之长，意法半导体新产品越级进化。

近年来，物联网设备正变得越来越强大且智慧，外形尺寸也正在缩小。通信协议的增强正在提供更大的范围和更高的能源效率，消费者正在向他们的住宅添加更多的联网设备。所有这些都意味着实现更复杂功能组合的可能性，多种设备可以无缝且智慧地协同工作，智能家居的市场异常高涨，我国智能家居行业正处于Alot(人工智能＋物联网)赋能期，预计2023年后全面爆发。据相关机构测算，2020年，我国智能家居市场规模已达4354亿元，自2017年以来的年度复合增长率高达15.8%，预计2025年突破8000亿元。

智能家居系统应用方案

基于巨大的市场潜力，中科芯着手推出一份高性价比智能家居系统应用方案，以CKS32F103RBT6微控制器（MCU）为主控芯片，外围主要包括烟雾报警模块、温湿度模块、光敏电阻模块、语音控制模块、LCD显示模块、蓝牙通信模块、电源模块、调光电路、调温电路。智能家居系统的硬件框图如图1所示。其中，光敏电阻模块可实时检测室内外光照强度，智能的开关窗帘、窗户以及调节室内灯光强度；烟雾报警模块实时检测室内烟雾浓度，当浓度超过设置的阈值，就会蜂鸣提醒用户；语音控制模块用来语音控制打开关闭空调、地暖等，夜深来临也可语音调节灯光亮度和拉上窗帘等；温湿度模块每秒刷新一次，在LCD显示模块上显示数据；蓝牙通信模块可与智能手机APP数据交互，用户可通过APP实时监控家居状态。

图1 智能家居系统硬件框图

芯片特性

中科芯CKS32F103RBT6采用高性能的ARM® Cortex®-M3 32位的RISC内核，最高工作频率为72MHz，FLASH 可达128K字节，SRAM可达20K字节，并广泛集成增强型外设和I/O口。提供标准的通信接口（2个I2C接口、2个SPI接口、3个USART接口、1个USB接口和一个CAN接口），2个12 位ADC，4个通用16位定时器和1个高级定时器。CKS32F103R8T6微控制器工作在-40℃ 至85℃温度范围，2.0V至3.6V的电源电压。这些丰富和外设配置，使得适用于多种应用场合：电机驱动和应用控制、医疗和手持设备、智能家居系统、视频对讲等。芯片资源见表1。

表1  CKS32F103RBT6芯片资源

经历了2021的全球缺芯潮，我们迎来了2022 年，今年，世卫组织认为新冠疫情会得到控制，随着疫情影响减弱，以及AIOT、智慧家居市场、老年健康市场走热，半导体产业会有哪些新的变化？电子创新网采访数十位半导体高管，并以"行业领袖看2022”系列问答形式向业界传达知名半导体眼中的2022 ，这是该系列第五篇报道---来自Silicon Labs首席技术官Daniel Cooley的答复。

1问、回顾2021 ，贵司有哪些亮点表现？

Daniel Cooley回答：Silicon Labs在2021年将基础设施与汽车业务出售给了Skyworks，从而转型为纯粹专注于物联网的公司，并期许成为提供安全、智能无线连接解决方案的领导企业，以通过不断创新、集成并结合物联网（IoT）产业生态链来保持高速的增长。

在2021年，我们带有Secure Vault安全技术的EFR32第二代无线平台率先获得PSA 3级认证，并荣获全球及国内多个行业大奖。公司主办的第二届Works With物联网开发者大会在全球共吸引了近8,000名行业人士共襄盛举，针对客户和开发者提供了趋势和技术交流的渠道，也成为了领先中国物联网企业向世界展示公司创新的舞台。更联手CSA联盟和亚马逊、苹果及谷歌等大厂致力推展Matter物联网统一标准，并开放超过20％源代码，成为芯片行业中为该标准提供最多代码的贡献者。

同时，Silicon Labs正在从销售单独的产品转向提供完整的产品加服务，从而在产品使用过程中创造持续的价值。Silicon Labs在继续提供最优、最全面的无线连接和安全解决方案的同时，推出了独家的一体化软件开发工具包（Unify SDK）和定制化元件制造服务，与更多的合作伙伴携手推动物联网创新发展。

2问、对于2022 ，您认为有哪些行业热点会激发对半导体的需求？

Daniel Cooley回答：5G、人工智能（AI）、汽车、物联网（IoT）、以及正在兴起的元宇宙等等，都离不开半导体产业的发展，也会给半导体产业带来新的发展动力。目前，物联网已进入繁荣发展时期，其拥有成熟的技术和蓬勃兴旺的生态系统。即使在这个充满挑战的时代，物联网等市场仍然为半导体产业带来了巨大的机遇。到2023年，全球的微控制器（MCU）出货量预计将达到300亿颗，并且没有放缓的迹象。

如今，物联网除了已经进入智能家居领域，以及逐渐增加的智慧城市领域，全新的、创新的商业和工业物联网应用正在推动物联网市场向前发展。从零售到医疗保健，从能源到制造，各行各业都在利用物联网的价值来提高生产率、可持续性和运营安全性。也就是说，数字化转型和智能化落地，将推动半导体产业继续保持高速发展。

3问、对这些新的点，贵司有什么产品布局和应对策略？

Daniel Cooley回答：Silicon Labs在十多年前就开始着眼于物联网。我们对技术进行了投资，并携手志同道合的客户一起开展创新，同时我们围绕着拥有巨大潜力的智能联网设备建立起了一个生态系统。在广大用户、Silicon Labs和同行的努力下，物联网终于到了大发展的阶段。在推动物联网技术走向普及应用的同时，Silicon Labs立足长远做了以下几项布局：

在物联网领域，无论从传感器、边缘到云的哪个环节，先进的信息安全技术对所有人都是一种基础技术。早在2020年初，Silicon Labs就宣布推出了Secure Vault安全功能新套件，以帮助可连接设备制造商应对物联网（IoT）中不断升级的安全威胁和监管压力。随后，带有Secure Vault安全技术的Wireless Gecko Series 2平台通过了业内等级最高的PSA 3级安全认证，大大降低了物联网安全漏洞和知识产权受损的风险。

在2022年及以后，安全的物联网解决方案会变得越来越重要，Silicon Labs通过设计来集成网络安全功能。在2021年9月，我们推出了自己的定制化元件制造服务（CPMS），允许设备制造商在工厂中定制其所使用的Silicon Labs硬件产品（无线SoC、模块、MCU）。这从本质上为芯片（以及使用它的任何设备）提供了信任根，可以支持客户在芯片出厂前安全地配置芯片。

这样，客户就不仅可以在芯片的整个生命周期中对其进行追踪，而且可以在物联网产品的整个生命周期为其提供可靠的身份认证和验证。该服务凭借新增的、业界首创的定制式物联网设备身份注入凭证，加强了我们的Secure Vault物联网安全技术。它可以防止攻击者使用联网产品作为网络切入点。服务中还包括专用的长期软件开发工具包支持，可以覆盖长达10年的物联网产品生命周期。

4问、2022 年，您认为客户对半导体产品会有哪些新的需求？

Daniel Cooley回答：从零售到医疗保健，从能源到制造，数字化转型正在推动各行各业都需要不断创新的半导体产品来提高生产率和可持续性。除了我们前面提到的在2022年及以后，安全的物联网解决方案会变得越来越重要之外，我们认为新的、具有更高互操作性、可靠性和安全性的物联网通信协议，以及对泛在人工智能/机器学习的支持，将会是市场对半导体产品提出的新需求。

由CSA联盟发布，亚马逊、苹果、谷歌和Silicon Labs等公司参与发起的

互联互通，它提供跨物联网网络、生态系统和设备的互操作性、可靠性和安全性的特性，它是一种建立在现有IP连接协议之上的连接标准，可实现跨物联网系统（包括嵌入式设备、移动应用程序和云服务）的无缝通信。Silicon Labs为Matter物联网统一标准开放了超过20％源代码，成为芯片行业中为该标准提供最多代码的贡献者。

此外，机器学习方面的进展正在打开通往崭新未来的大门且将影响深远。用户可以从边缘的机器学习中获得诸多好处。机器学习算法可以训练模型，评估模型本身的性能，并进行预测，这是非常令人兴奋的。在我们的世界中，机器学习应用可以在生活舒适化应用场景所使用的微型设备上运行，这些应用场景包括预测性维护、楼宇自动化、音频分析的配置，以及自主操作的视觉和运动检测等。

5问、贵司在2022年的产能情况如何？

Daniel Cooley回答：不出意料，全球半导体短缺的新闻已经蔓延充斥在各种媒体上，从汽车交付的延迟到消费产品更高的价格等等，其影响更已逐渐渗透到我们的日常生活当中。一方面，芯片短缺显示半导体在全球经济中发挥的关键作用，迫使物联网参与者适应并提供新的方法来满足客户的期望。在Silicon Labs，我们将继续与客户携手合作，确保我们能优先倾听并了解他们的需求，然后继续投入产品开发。倾听客户需求是不可或缺的，因为我们首先必须了解让我们发展到此一阶段的要素，以避免重蹈历史覆辙。

6问、预计2022年全球半导体市场将继续增长，营收将突破6000亿美元以上，在这样的背景下，您认为中国本土公司和国外公司该会如何竞合？

Daniel Cooley回答：我们看到许多芯片厂商进入了物联网市场，而现在该市场将进入整并阶段。

物联网和半导体领域的增长势头将带来两方面的影响：一方面，我们将看到一些企业的价值大幅增长；而另一方面，则会导致其他公司退出市场竞逐。当企业收入增加时，预算也得以提升，这会使得新入局者难以获得立足之地——除非他们能够承担自己入局的成本。许多公司将寻求通过并购来提高利润率，并从由此产生的规模经济中获益。

你无法通过细分市场赢得胜利。物联网设备不会在单一协议上运行，占主导地位的厂商将会在其产品组合中涵盖所有无线技术选项。在Silicon Labs，我们用了十年的时间来做到支持每一种无线技术，成为了全球最早推出多协议物联网芯片平台的企业。借助近期发布的一体化软件开发工具包（Unify SDK），我们也有望在行业中起到重要的桥梁作用，支持全球包括中国厂商在内的物联网云服务和平台开发人员在他们的设备中设计各种功能，从而协助他们在现有和未来的无线协议之间实现互操作。

新的一年即将到来并有望成为芯片供应商的转捩点。技术已经成熟，时机也已成熟。很快，物联网、边缘和网络技术的优势将对所有行业产生影响——当然，提供安全性仍是实现一切的首要任务。（完）

注：Matter是一个智能家居开源标准项目，由亚马逊、苹果、谷歌、ZigBee联盟联合发起，旨在开发、推广一项免除专利费的新连接协议，以简化智能家居设备商开发成本，提高产品之间兼容性。2021年5月11日，CHIP更名为Matter，ZigBee联盟也更名为连接标准联盟。

物联网技术的进步推动了智能家居安全系统的发展，该系统可为消费者提供安全性、便利性和能源效率。新的传感技术和无线协议（如无线局域网（Wi-Fi））已经创造了一系列器件，可以监控安全设备、门禁设备、家用电器、能源管理设备、电源插座、照明和娱乐系统。图1说明了支持智能家居的物联网技术的广度。

智能家居安防市场是一个充满活力的市场。住宅安全摄像头的单位出货量预计将从2018年的5400万台增长到2023年的1.2亿台。这意味着17%的大幅复合年增长率(CAGR)。在这个市场上有很大的创新和新产品的机会。

可靠等于安全

智能家居安防产品需要高度可靠才能赢得市场份额。随着越来越多的厂商进入市场并且产品差异化程度缩小，产品质量将成为消费者更大的决定因素。因此，产品需要对过载和瞬变具有高可靠性。以下段落将为家庭安全系统的设计人员提供使用和选择保护和控制其电路的元件的建议。用于保护以下产品的元件将被介绍：

• 有线和无线安全摄像机
• 有线门铃摄像机

有线安全摄像机

有线安全摄像机系统通常是固定安装的安全系统，用于监视住宅周围的区域。图2显示了有线安全摄像头以及用于保护和控制摄像头的推荐元件。这些摄像机由交流线路供电，容易受到交流电源线上传播的过载和瞬变的影响。此外，所有与外部环境的连接都会受到静电放电(ESD)的影响。

设计人员将需要保护其摄像机电路免受这些危险条件的损害。图3显示了有线安全摄像机以及为确保产品可靠而推荐使用的保护和控制元件的框图。

电源适配器

电源适配器与交流电源线连接，并且需要保护以防止电源线电流浪涌和电压瞬变。我们建议使用熔断器进行过载保护，使用金属氧化物变阻器（MOV）来保护瞬态电流浪涌，并使用瞬态电压抑制器（TVS）二极管来保护瞬态电压。这三个元件以及为您的设计选择的参数，将确保电源适配器对过载和瞬变具有高可靠性。

选择慢速熔断器，以避免由于开关电源浪涌电流而造成熔断器损坏。但是，为避免损坏电源适配器电路，请选择能够对连续过载（例如在几秒钟内达到200％过载）快速响应的熔断器。

选择熔断器时，请不要忽略其它关键参数。确认熔断器的额定电压是否超过电源可以达到的最大线路电压。另外，请确保分断额定值高于电路可能遇到的最坏情况下的电流过载。

适当的分断额定值将避免由于交流线路产生较大的瞬时过载而对熔断器造成物理损坏。由于电源空间有限，因此请寻找满足要求的小型熔断器。最后，使用具有UL / IEC认证的保险丝来简化和加快产品安全合规性鉴定。

例如，对于雷电引起的大的高能量浪涌，请使用金属氧化物变阻器（MOV）来保护电源，该金属变阻器的位置应尽可能靠近电源的输入。MOV可以吸收高达10 kA的浪涌电流，并且可以吸收超过500 J的峰值脉冲能量。由于MOV与电源线接触，因此请使用UL / IEC认证的元件。

您要考虑的第三个保护元件是瞬态电压抑制器(TVS)二极管，用于保护下游电路免受电压瞬变的影响。TVS二极管对瞬变的响应速度极快，不到1ps。在抑制瞬变时，TVS二极管将其输出钳位在低电压，以保护敏感电路。TVS二极管有单向和双向两种版本，钳位电压范围很广，最低可达10V。

直流输入级

直流输入级为控制板、电机驱动器和图像传感器接口提供直流电压。我们建议此电路同时使用电流过载保护和暂态电压保护。传统熔断器或可复位聚合物正温度系数(PPTC)熔断器都是可选的。这两种类型的熔断器都有表面贴装版本可供选择，因此占用的PCB空间最小。TVS二极管可同样采用节省空间的表面贴装封装，可承受峰值脉冲功率高达5000 W的瞬变。

控制板

控制板包含摄像机智能电路。控制板包括MCU、视频存储器和有线接口电路，有线接口电路使用PoE协议在交流电源线上传输信息。控制板的两个电路应具有保护元件。这两个电路是有线接口和存储电路。

有线接口与外部环境连接，应具有电流过载和暂态电压保护。与直流输入级一样，选择常规熔断器或可复位熔断器进行电流过载保护。为了防止电压瞬变，我们推荐一种特殊的元件，TVS二极管阵列。TVS二极管阵列保护PoE I/O线路免受ESD和其它高压瞬变的影响。

图4显示了与齐纳二极管相结合的双向二极管阵列，可承受±30 kV的ESD冲击。这些二极管具有较低的1pF/端口电容，可将其对PoE协议传输和接收信号的影响降至最低。如图4所示的二极管阵列配置可采用表面贴装封装，它们占用的PCB空间最少。

电机驱动

电机驱动模块具有一个平移和倾斜电机电路，可将摄像机定位以跟踪运动。对于此电路，我们建议使用一个控制元件，即光电隔离固态开关。光学隔离可防止电机噪声和瞬变耦合回平移和倾斜控制电路中。固态开关可提供无抖动开关，以实现对电机的平稳控制。寻找具有零交叉开关的固态开关，以最大程度地减少电动机的启动瞬变。另外，寻找具有限制电流功能的开关，以防止电机停转。

无线安全摄像机

为了监视内部空间，无线安全摄像机体积很小，可以轻松放置在任何地方。有关无线摄像机的示例，请参见图5。图6显示了无线摄像机的方框图以及该设备的推荐保护和控制元件。

适配器

USB适配器是无线安全摄像机的电源。由于USB适配器连接到交流电源，因此必须保护其免受电流过载和电压瞬变的影响。与为有线安全摄像机供电的电源适配器类似，USB适配器应具有用于过电流保护的熔断器，用于雷击的MOV和用于ESD保护的TVS二极管。

如果设计将使用USB Type-C协议，那么USB Type-C高密度连接器需要热感应来检测连接器引脚之间的短路。符合USB Type-C设计的热敏元件将避免在灰尘或污垢使相邻的连接器针脚短路时损坏电缆和连接器。请参阅USB Type-C 标准2。在纠正导致温度升高的问题后，传感元件会以低电阻复位。

电池组

如果电池组在短路状态下发生故障并过热，则应监控电池组的过电流情况。此外，电池管理单元和USB可以经受静电放电（ESD）。我们建议使用可复位熔断器，即PPTC表面贴装保险丝，以防止因电池组故障而产生的过电流。达到200%的过载时，PPTC熔断器将在不到一秒的时间内动作，以防止一个短路的电池对多个电池造成损坏。

电池管理装置和USB电路应具有ESD保护。我们建议使用钳位电压低的多层金属氧化物压敏电阻来保护半导体元件。当节省PCB空间是一个重要的考虑因素时，可以使用节省空间的0402表面贴装封装的多层MOV版本。

如果USB电路符合USB Type-C协议，则应使用和推荐用于USB适配器相同的热敏元件来保护USB电路中匹配的USB插座。有关将热敏指示器设计为USB Type-C电路的更多详细信息，请参阅我们的设计和安装指南3。

控制板

控制板包含用于控制摄像机并保存视频数据的数字电子设备。控制板需要针对瞬态和静电放电（ESD）的保护。对于此电路，我们建议使用一个可承受±30 kV的齐纳TVS二极管。该TVS二极管的泄漏电流低于0.5 µA，只从电路中汲取最少的功率。该二极管还占用少量PCB空间，可以安装在0201表面贴装封装中。

无线接口

无线接口与外部无线设备（例如计算机，智能手机和移动平板电脑）进行通信。由于该电路暴露在内部环境中，因此该电路容易受到ESD的影响。在这种情况下，请考虑使用聚合物ESD抑制器。聚合物ESD抑制器可保护电路免受高达+/- 15 kV的ESD冲击（通过空气）和±8kV的人体接触。此外，其低于0.2 pF的低电容不会降低信号传输或接收的性能。

门铃摄像机

有线门铃摄像机已经成为一款非常受欢迎的产品，可以远程查看访客。图7显示了门铃摄像机示例，图8显示了带有推荐保护和控制元件的方框图。

电源装置

电源装置与来自交流电源线的降压交流电压连接，可承受电流过载和电压瞬变，如雷电引起的瞬变。与其它电源电路一样，熔断器可以防止电流过载。为了防止交流线路上的电压瞬变，请选择能吸收功率高达4kW瞬变的TVS二极管。考虑使用光学隔离固态继电器来控制其它电路的电源，并防止电源线上的噪声和瞬态传播到下游电路。

电池组

电池组为控制板和用户界面提供备用电源。电池组及其子单元、电池管理单元和USB电路需要使用为无线摄像机中的相同电路推荐的类似元件进行过电流和瞬态保护。增加一个TVS二极管将确保抑制电压瞬变和ESD冲击。与无线摄像机中的电池组一样，如果USB Type-C协议是设计要求，我们建议对USB电路进行热感应。

用户界面

用户界面会受到人为接触的静电放电的影响。使用TVS二极管来保护用户界面免受ESD的影响。如果门铃摄像机将在欧洲销售，则需要在激活门铃和摄像机之间进行切换，以符合欧洲隐私法规。请考虑使用固态继电器来消除机械继电器触点弹跳和电磁干扰（EMI）的产生。

控制板和无线接口

门铃摄像机的控制板和无线接口电路的功能与无线摄像机相同。为无线摄像机中的这些电路推荐的保护元件将适用于门铃摄像机中的相同电路。

新冠肺炎大流行正在影响安全摄像机的设计

一些安全摄像机制造商正在适应新冠肺炎大流行带来的“新常态”。他们正在将红外热感测技术添加到摄像机中，这样就可以对到家里或企业的访客的温度进行离散监控。温度测量可能成为未来智能家居安防系统的标准功能。随着安全摄像头越来越复杂，包括这方面的健康安全，结合适当的电路保护有助于开发更可靠和强大的设备。

家用安全摄像机的适用标准

表1所示的两个安全标准定义了对音频/视频通信技术设备和电池（例如锂电池）的要求。IEC 62368-1涉及了监控设备的安全要求；第二个标准IEC 62311-2规定了确保锂电池和电池安全的要求。锂电池的不当组装和操作可能会导致火灾；因此，对这些类型的电池进行监控至关重要。不遵守这些标准将导致重新设计工作和再次向标准机构提交认证。项目成本将会增加，产品的推出可能会推迟。

保护的价值

通过将保护和感测元件作为设计目标，并在项目早期将标准合规性纳入其中，您可以经济高效地开发出强大而可靠的智能家居安全系统。当然，您的设计总是在性能和总拥有成本之间进行权衡。虽然有些技术的成本可能比其它技术高，但其它因素可能表明，最低的总拥有成本需要成本更高的元件技术。选择保护，控制和传感元件时，请充分利用元件制造商的工程专业知识。使用值得信赖的供应商可以节省您的时间和资源。

可靠性和效率提高了您的智能家居安全系统的声誉。高质量的声誉可以导致市场份额的增长和收入的增长。从而提高了盈利能力。