【导读】虽然某些元器件比其他产品更容易找到替代方案，但半导体和集成电路等部件往往更加复杂，它们在设计中根深蒂固，影响很大。本文将讨论工程师在开始一个产品重新设计项目之前应该考虑的关键因素。
新冠肺炎疫情导致整个电子供应链长期中断。暂且不论造成短缺的导火索是否在新冠肺炎之前已经出现，现实是我们现正经历漫长的交付周期和严重的时间推迟，这已经影响到从无源元件到无线模块等所有一切。即便是准备最充分的工程和供应链团队也无法充分应对行业目前面临的深度和广度短缺。
虽然某些元器件比其他产品更容易找到替代方案，但半导体和集成电路等部件往往更加复杂，它们在设计中根深蒂固，影响很大。本文将讨论工程师在开始一个产品重新设计项目之前应该考虑的关键因素。
前所未有的元器件短缺
两年前，当新冠肺炎爆发时，全球范围内经常出现封控等事件，全球经济迅速进入未知领域，许多公司也面临着更加不确定的未来，制造业下调了产量，取消了远期元器件订单，没有人能够预测即将发生的过山车似的行业态势。但消费者并没有无源地变为“隐士”，而是开始在网上消费，许多在线零售商面临的订单量呈对数级增长。随着办公室员工转移到家中工作，以及教育机构进行在线教学，对基本消费技术的需求突然激增。随着车辆污染的大幅下降，人们在当地局部环境中花费的时间也越来越多，许多消费者希望未来的交通方式更加环保和可持续。随着封控的放松，市场对电动汽车的需求迅速增长，进一步加剧了汽车电子供应链的压力。
2021年，从无源元件到集成电路和显示器，电子行业面临严重的元器件短缺。根据研究机构Gartner的报告，到2021第四季度，元器件市场正在改善。元器件制造人员正在复工，生产量也在增加。尽管市场需求仍超过产出，Gartner预测情况将继续改善（参见图1）。
图1：半导体库存预测。（来源Gartner 2022）
终端产品制造商在元器件供应链中仍然存在相当大的风险和脆弱性，这使得许多团队重新评估现有的产品设计。
确定合作途径的风险和重要性
供应链中断问题并非新冠肺炎时期所独有，洪水、地震等影响重要地区制造业的自然灾害时有发生，因此电子供应链专业人员需要精心应对。大多数产品设计都采用较高比例的无源元件，其次是一些IC和模块，如微控制器、电源管理器件（PMIC）、传感器和无线收发器等。无源元件一般是以通用商品购买，除非它们需要具有独特的参数值或特性。理想情况下，第二供货源替代方案应该被确定为可制造设计（DFM）战略的一部分。即便如此，某些特定类型的电容器，例如多层陶瓷电容器（MLCC），也会经常出现“划拨供货”。
毫无疑问，电子行业在解决部件短缺问题时，工程和供应链团队之间的合作至关重要。不断审查第二供货源或第三供货源需要仔细分析元器件参数值、物理尺寸、形状因素和正式认证。
DFM策略还应确定那些不容易寻找第二供货源的元器件。对于像微控制器这样的专业IC，想找到合适的替代品要复杂得多。这些器件和许多其他IC都深深植根于设计之中，因此寻找替代微控制器可能需要对产品设计进行根本性的更改。要做到这一点，工程团队需要仔细审核产品的架构，并分析所需采取的行动是否能够与同一家微控制器供应商保持一致，并选择更容易获得的部件，还是要更换供应商。这些决定影响巨大，需要采取知情透明的做法。该过程的另一个方面是与元器件供应商及其授权分销商保持经常联系，以了解供应商是否已经努力在您的供货时间范围内增加产量，或许即将有适量库存。尽管元器件最初可能会通过分配来供应，但短缺可能是暂时的。
审核设计
在本文这一部分，我们将重点讨论微控制器。在审查带来的可能变化时，微控制器或许是最多应与考虑的。它还代表着其他IC和模块，如无线和专业模拟IC等。在审核过程中，供应链团队还必须分析工程团队可能考虑的替代品供货是否现实。
在迁移微控制器平台时需要考虑的因素包括：
代码可移植性：代码是否可以轻松移植到其他设备？它是用可移植的高级语言（如C）编写，还是用较低级别或更依赖硬件的语言编写？代码是否采用了供应商专用硬件抽象规范与外围端口通信？任何嵌入式开发从本质上都会涉及到通过MCU端口和通道与现实世界进行大量交互，因此这些挑战始终存在。具有全局端口分配和声明的良好架构代码能够大大减少对主要代码更改的需要。
程序库、设备驱动器及其它固件：供应商提供的设备驱动器和程序库有助于加快所有MCU应用的开发。例如，使用库函数来控制MEMS加速计，能够帮助开发人员专注于所需应用，而不是复杂的传感器内部操作。然而，它可能不适合于所有语言，或者它可能利用主机MCU上的功能进行操作。
跨平台RTOS/操作系统：更复杂的嵌入式系统可以使用实时操作系统（RTOS）来调度任务并优先考虑与时间相关的活动。您当前的设计是否使用RTOS？它还支持哪些其它微控制器平台，以及它对MCU所要求的硬件参数是什么？
微控制器平台决策：大致分为三类。
MCU架构：您正在使用的当前设备架构是什么？8位，32位？指令集架构也是重要信息，Arm、8051、AVR、还是RISC-V？也许您当前的供应商已经提供了具有相同内部架构的类似设备，并且可以广泛获取。若采用不同的封装尺寸，这其中将涉及电路板布局问题，或将导致大量返工和不可回收的工程成本。一个非常理想的场景是找到一个引脚和软件兼容的产品来替代当前MCU；然而，这种可能性非常小。
MCU功能：现代微控制器具有大量外围和基本功能，其中包括模数转换器、计时器、计数器和脉宽调制器等。然后是安全单元、加密加速器和浮点单元等。连接选项多种多样，从简单的GPIO到更复杂的基于协议的通信，如USB、CAN和以太网等。您当前的设计利用了哪些功能？此外，潜在器件的引脚排列将极大地影响电路板布局，需要成本昂贵的完整电路板重新设计。
改换微控制器还需要检查新IC的功耗曲线。替代微控制器的睡眠模式和方法通常会带来一些并发问题，因此这也需要仔细审核。电池寿命是许多便携式和手持设备的一个重要考虑因素，因此这方面的问题需要进行详细分析。
工具链支持：嵌入式开发人员通常依赖于集成开发环境（IDE）来编程和调试微控制器。贵公司使用哪一种？流行的商业IDE涉及软件许可证，可能需要针对不同MCU系列做相应更改。此外，许多工程团队在其产品组合中利用平台方法开发和支持广泛的最终产品。MCU和IDE的改变对正在进行的产品开发和后期设计支持活动具有深远影响。
微控制器迁移更多注意事项
除了微控制器做出的决定，工程师在开始项目迁移之前必须考虑几个相关因素。下面讨论的是一些主要事项，但工程团队应该检查产品设计的所有方面。
PCB返工和重新设计：这个问题之前已经强调，其影响不应被忽视。根据产品的具体特性，更换复杂元器件所需的电路板重新设计将会导致大量工程工作量和成本。对于产品的长期支持，它增加了一个产品变体的复杂性。但这可能会提供机会来更新产品的规格参数，并纳入那些已经被认为可行的新功能。
遵从法规和安全认证：产品合规性包括无线类型认证、国家和地区产品安全、以及功能和电气安全等。即便是元器件和操作软件的微小变化，也可能导致产品合规性失效，需要再进行长时间的产品测试，并需要聘请授权的产品测试机构。在开始任何迁移项目之前，产品工程团队应为公司管理层准备一份详细的关于产品变更、相关成本和可能时间表的详尽分析。
云端和无线连接：许多产品设计可能需要依赖无线以实现与基于云端系统或智能手机app的连接。所建议的硬件更改是否会影响产品的连接性和功能集？这些操作可能涉及更改软件库或无线模块驱动器，并且需要足够的时间来完成测试。
与第三方生态系统的接口：除了潜在的连接更改外，您的产品可能还会与公司控制范围之外的其他系统进行交互。物联网/工业物联网（IoT/IIoT）或家庭自动化等应用尤其如此。比较谨慎的做法是调查这些可能的变化是否需要对第三方应用进行重新认证。
仔细分析是微控制器平台迁移的关键
在一段时间内，元器件短缺将继续是电子行业面临的一个挑战，因此产品制造商正在不断审查这些对其生产计划的影响。
在本文中，我们着重介绍了终端产品制造商在可能决定需要迁移到另一个微控制器平台时所面临的一些挑战和需要重点考虑的问题。
工程团队需要不断与供应链同事保持密切合作，并充分利用元器件分销商和供应商提供的工具、预测和建议。
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