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工业市场是缺乏创新还是大有作为?

2020-12-31 赵明灿 阅读:
工业市场是缺乏创新还是大有作为?
意法半导体(ST)2020年举办的工业峰会让我们大有改观——这个活动让我们了解到,很多的创新,比如家庭机器人、平衡车,以及宽禁带技术等,都是先出现在工业领域,然后再往消费类市场渗透。

这些年来,在笔者的认知里,工业领域创新不多,更多的创新都是由消费领域所推动,然后再往工业领域渗透。但是在参加了意法半导体(ST)2020年举办的工业峰会后,让我有了极大的改观——通过这个活动我们了解到,很多的创新正好相反,比如家庭机器人、平衡车,以及宽禁带技术等,往往是先出现在工业领域,然后再往消费类市场渗透。今天,EDN就带大家了解下这个峰会上的一些关键信息。tNyednc

ST工业市场战略

据意法半导体总裁兼首席执行官Jean-Marc Chery介绍,意法半导体的战略主要集中在以下三个方面:智能出行、电源&能源,以及物联网&5G。tNyednc

意法半导体专注四大终端市场:汽车,工业,个人电子设备,以及通讯设备、计算机及外设市场。其中,汽车市场和工业市场采取的是比较广泛的策略;个人电子设备和通讯设备、计算机及外设市场,则采取了更加严格的方法。tNyednc

ST利用了其核心关键产品,在四大市场中推出了通用产品组合。工业市场是意法半导体非常关注的领域,该公司有1/4的销售额来自于此。现在ST产品大部分是选择性或者是外延性的技术,产品组合和路线图可以分为六个类别。tNyednc

意法半导体长期投资于设计和产品制造的基础技术。到目前为止,该公司开发出的专有技术包括:传统的CMOS技术,用于微控制器系列的嵌入式非易失性的存储器技术,BCD智能电源管理技术、用于运动和环境传感器的微执行器MEMS技术、飞行时间传感器成像技术、应用于功率器件上的技术(包括IGBT、硅化MEMS、宽禁带的碳化硅和氮化镓)。除了自有的技术,ST还同其他的技术领先者建立了合作伙伴关系,而能够为客户提供一流的服务。tNyednc

意法半导体在汽车市场广泛布局,希望能借此引领整个汽车市场的电动化和数字化。tNyednc

在工业领域主要针对广泛的市场。与此同时还有特定的目标。首先希望能瞄准嵌入式处理器领域,成为这一领域的领导者。目前ST已经在嵌入式处理技术上进行了大量的投资,并取得了巨大成功。在STM32产品上的成功,能够帮助其更好地服务于其他关键市场,例如个人电子产品市场。在工业领域还有另外两个目标:不断加速模拟器件和传感器市场上的发展和进一步扩大电源和能源管理业务。在这些领域,目前ST正在不断地扩展通用和专用解决方案的模拟产品系列,特别在关键工业技术上进行大量投资,比如电机控制、电源、计量、电流隔离技术。ST一直在开发专门针对于工业需求量身定制的传感器产品组合,比如最近推出的高精度测斜仪。在功率分立器件方面,已经在宽禁带技术上进行了大量投资,包括IGBT和硅MOS,以帮助进一步拓展针对工业电源和工业控制的相关产品和应用范围。tNyednc

在个人电子设备领域,ST通过领先的产品和个性化解决方案,来满足特定的、大批量智能手机的应用需求。还利用其广泛的产品组合来应对大批量应用所带来的挑战。tNyednc

在通信设备、计算机及外设领域,ST的方法是非常有选择性的。ST利用独特的专有技术专注市场机会,尤其是在硬盘驱动器、打印机、蜂窝、卫星通信等几个领域发力。ST将通过更加广泛的通用MCU产品,包括功率和分立、模拟、MEMS产品,来满足市场需求。tNyednc

总而言之,意法半导体对支持有利趋势所需要的关键技术进行长期投资,针对这些市场进行了大量的技术投资,包括对应用的投资来推动技术发展,以及新技术在应用上的使用。ST开发了很多产品和解决方案,以便能够更好的满足客户需求,帮助客户不断加速针对于整个工业产品的市场应用和解决方案,帮助他们应对市场上的挑战。tNyednc

工业应用的三大趋势

意法半导体销售、市场、传播及战略发展总裁Marco Cassis表示,工业半导体是意法半导体特别关注的细分市场。相信未来在所有产品领域都有健康的增长。工业半导体市场增长的驱动因素,从应用角度看,最大的应用领域是工业自动化,包括让下一代工厂更高效、更灵活、更安全所需要的各种功能。电源&能源、家居控制和电气控制的增长速度都高于未来三年5%的整体平均增长率。tNyednc

他指出,未来应用领域有三大趋势:tNyednc

  1. 更高的自主性:所有的设备具有更高的智能性及自主意识。通过分布式控制和人工智能的普及,新的自动化水平成为可能。这意味着将出现更安全的工作环境,以及新的人机交互模式。这一趋势推动了对微控制器和微处理器等半导体器件以及传感器和执行器的需求。
  2. 更高的能效:这是推动意法半导体战略的大趋势之一,与工业领域也息息相关。这一趋势推动了对功率分立器件等半导体器件的需求,既包括IGBT和硅MOS等传统硅器件,也包括SiC和GaN等新型宽禁带材料器件。它还推动了对集成功率器件、特定应用模拟器件和数字功率控制器件(如专用微控制器)的需求。   
  3. 支持物联网的安全设备:使工厂设备、在城市以及楼宇中的设备与云端实现连接,而且能够捕获和使用机器的状况数据,使得应用可以实现实时监控以及预测性维护和资产跟踪。这一趋势推动了对全系列有线和无线连接和安全解决方案的需求,以及对微控制器和传感器、模拟和低功耗管理的需求。

ST聚焦电源和能源、电机控制和自动化三大领域

据意法半导体亚太区功率分立和模拟产品部区域营销和应用副总裁Francesco Muggeri(沐杰励)介绍,在工业市场,ST主要集中三大关键领域:电源和能源、电机控制和自动化。而生态系统又是工业市场的关键。tNyednc

目前ST具有在行业中最广泛的产品组合,包括分立器件、模拟、MCU、MEMS等等,能够真正解决电源管理上的需求。tNyednc

以65W Type-C超级快充解决方案为例。意法半导体用其创新产品MasterGaN氮化镓器件(一种系统封装模块),创造了一个65W的超级快充。这个充电器的功率密度达到了30W/inch3,而市场上大部分产品还没有突破20W/inch3tNyednc

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此外,ST有550多种专业开发板为用户提供支持。例如,电力能源、电机控制和自动化专用的演示板数占演示板总数的67%以上;每个演示板都带有相关的固件、原理图、材料清单、Gerber文件、数据简介、应用说明和用户手册。tNyednc

在设计过程中需要快速地进行原型设计,为此ST开发了Nucleo板和X-Nucleo板,其中Nucleo板是围绕STM32开发的。X-Nucleo扩展板能够将每个设备与它的外设进行有效的连接。现在已经有了59个扩展板,可以相互堆叠,为设备提供更加完整的支持解决方案。tNyednc

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Nucleo板和X-Nucleo板需要结合软件的支持,所有的层级都会叠加上去,一直到移动原型应用和云原型。而ST做的是电机控制、应用行业和工厂自动化的功能部件。其STM32开放开发环境是市场上最创新、最便携的用户界面。tNyednc

沙龙访谈环节:智能家居和照明、工业自动化/IO-Link、65W GaN USB墙插式充电器、50W+无线充电解决方案…

沙龙访谈环节特别请到意法半导体自动化技术创新中心、电机控制技术创新中心、电源与能源技术创新中心、物联网技术创新中心、人工智能技术创新中心的负责人、技术专家以及高级工程师,介绍了这五个技术创新中心最新的创新成果。tNyednc

比如,据自动化技术创新中心负责人Allan介绍,在照明方面,BLE-KNX智能家居和照明参考设计的主要特点是调节亮度、开关等等,还可以进行温湿控制。ST已经授权一些合作伙伴为中国市场服务,这是自动化创新中心所做的工作之一,即支持家庭自动化应用的开发。ST还将持续建立一个关于智能家居的生态系统,与合作伙伴进行合作(现场也有展示)。还有一些可用的原代码和固件,都是免费提供。tNyednc

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他特别提到,BLE-KNX智能家居和照明参考设计荣获了BETA Excellence奖,已经有100多个客户在使用这个获奖平台。感谢ST所推出的生态系统,将会有更多的客户开始使用KNX技术。意法半导体是KNX的会员,STM32可以提供完整的解决方案,以及提供支持智能家居方面的解决方案。tNyednc

他并介绍,自动化创新中心关注的另外一个重点就是工厂自动化。工业自动化不仅仅是工业4.0,还要准备更多解决方案,比如IO-Link就是其中之一。意法半导体是IO-Link标准的成员。不仅在其平台上部署了解决方案,还有Nucleo和X-Nucleo板,可以帮助大家设计自主解决方案。同时,ST还提供GUI,支持IODD信息。tNyednc

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物联网技术创新中心高级工程师Alex Li-MMS介绍说,意法半导体有很多传感器产品,比如加速器、拓扑传感器等等,我们可以搜集生产线上每一部分的信息,使用无线传输的方式传送到云端。但搜集源数据送到云端是不够的,因为它消耗大量带宽以及大量的数据流量,而且有很高的时延性。tNyednc

意法半导体将AI和IoT结合,使得可以在节点上对数据进行预处理,只把有用的信息传到云端,这样就能极大的减少数据流量,提升对设备的控制和维护。一个很好的例子就是预测性维护仪表板。这个应用是云端的应用,基于虚拟环境下搜集数据并进行分析,它可以用于环保和超声的监控。tNyednc

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电源与能源技术创新中心技术专家Alex Li则介绍了内置平面变压器的65W USB墙插式充电器。这个产品是ST中国技术创新中心的作品,可以同时兼顾高功率、小体积(功率密度达30W/inch3)和高充电效率。这其中只使用了三个主要的器件:USB-PD、MasterGaN、低功率的MOSFET。tNyednc

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另外,在无线输电方面,ST也推出了50W+无线充电解决方案,包括发射端和接收端。他指出,顺应无线输电的发展趋势,意法半导体将会给大家带来更加强有力的产品组合,从低功率到高功率的都有,包括芯片上最高等级的接收器和发射器系统,还包括MasterGaN、高功效、接收功效的提升、超低的待机功率、精准的FOD的电流感应。ST在中国地区建立的专家团队,专门针对于无线输电的解决方案。tNyednc

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其所使用的发射器是64MHz ARM32产品,它的功率已经达到50W以上,实现双线圈无线充电解决方案。所使用的接收器也是最大输出功率50W,能够带来较高的能效,而且总接收能效高于98%。与此同时,它还可以带来12W以上的大功率反向充电的模式,也可以用来为手机耳机进行充电。tNyednc

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主要产品亮点

意法半导体微控制器和数字IC部门总裁Claude Dardanne及意法半导体中国区微控制器事业部市场和运用总监曹锦东分别介绍了STM32在工业应用以及在中国市场的亮点。tNyednc

Claude Dardanne分享了STM32产品线上新的应用。tNyednc

ST在STM32上,主要在三个领域进行投资:无线通信技术、安全保护技术、人工智能。tNyednc

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截止目前,STM32的出货量已经达到了60亿颗,涵盖了MPU处理器、高性能MCU、主流MCU、超低耗MCU和无线MCU等产品。除此之外,ST仍在不断扩展产品组合。从安全性与能耗方面来说,ST在Arm Cortex-M 32位的基础上推出了全新的LF系列。从性能的角度来说,STM32家族新增了HN7系列的双结构架构。tNyednc

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在无线MCU方面,包括蓝牙、W系列(针对更高的产品生产要求),无线通信也是ST最关注的领域。现在意法半导体能带来很多参考设计,包括非常广泛的、不同要求的设计。除此之外,STM32无线的解决方案还能够带来更高的整合性。意法半导体最近新收购了两家公司,他们都在无线通信方面有很好的专业能力。第一家叫Riot Micro,其在低功耗蜂窝的IoT方面有好的实践;第二家是BeSpoon,这家公司专门针对UWB的连接性。所以,这两起并购能够帮助意法半导体不断提升在芯片级别的无线连接方案的能力。tNyednc

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最后,在工业4.0的新趋势是,资产的追踪需要大量的无线连接和解决方案。ST已经拥有STM32 Trust的平台,同时具备追踪室内和室外资产的能力,能够满足LoRa以及不同传输协议的要求。除此之外,ST也希望能够更好地带来工业级的解决方案。还有数据安全方面,像STM32的TRUST能够更好地满足客户在安保方面的需求。tNyednc

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曹锦东分享了意法半导体MCU在中国的一些亮点。tNyednc

在中国,工业控制正在向消费电子渗透,比如家庭机器人、平衡车等等。这里不变的是器件,核心的是算法,未来还会添加安全的部分。tNyednc

在面向工业设计方面,除了提供芯片以外,ST还提供软件以及安全,包括系统安全和信息安全。tNyednc

2019年ST推出了STM32 Linux MPU。当STM32碰上Linux会怎么样?“这在过去是不可思议的事情,因为MCU是MCU产品线,Linux是针对处理器更广泛的生态系统。当然我们知道市场的需求,我们客户对性能极致的要求,所以在2019年推出第一颗STM32 MP1是650M的,在2020年将这个产品线性能提高到800M,这个背后都是工业控制的客户对性能的极致要求。”同时,这也是个很好的跨界例子。tNyednc

未来的设备联网会有更多的数据产生,这就离不开AI,因为这些数据只有在AI场景里才能发挥更大的作用。对意法半导体来讲,面向工业控制嵌入式应用领域,会推出AI的工具和软件。在中国深圳,ST有AI团队帮助用户根据工业控制实施,帮助开发基于AI的应用。tNyednc

安全是从芯片设计到软件,到系统开发,到整个产品的运营,整个生命周期都是需要考虑的。“对意法半导体而言,我们会提供从芯片到软件,到第三方认证的报告。我们将帮助客户建立安全的概念,同时实施这样的设计。”tNyednc

ST半导体汽车产品与分立器件部门负责人Marco Monti分享了ST的全球战略:如何在工业市场达到全球领先。他指出,尽管工业市场目前不是很景气,但其在2019年仍然表现很好。tNyednc

在碳化硅方面,ST计划在2021年推出第三代产品。2021年,S将在新加坡开第二个工厂,以满足客户的生产需求。tNyednc

在IGBT方面,ST也推出了微型的产品,主要满足工业市场的需求。这个产品类别的主要应用是电源模块。例如,ST在低压电源方面推出了很多产品来满足工业工具细分市场的需求,还有汽车电气化的需求。tNyednc

另外,在供电方面,还有氮化镓的技术和解决方案。tNyednc

所有这些都对高压和分立业务进行了补充。tNyednc

ST大中华区功率器件高级技术市场经理周志强介绍了功率器件在工业应用领域带来的技术创新。tNyednc

他介绍说,ST在功率器件研发以及生产和制造的经验超过半个世纪,拥有最为完备的功率器件的技术工艺以及前端和后端的制造工厂,例如,在福田保税区,STS(赛意法)工厂是意法半导体最先进和最大的后端制造厂。意法半导体的功率器件具备非常强的竞争力,很多产品,比如高压的MOS管,包括碳化硅MOS管,都在行业里长期以来占据很高的市场份额占有率。tNyednc

在能源应用领域,提高能源的转换效率以及提高功率密度是研发人员永恒追求的目标。对此,意法半导体持续地在功率器件投入研发力量,进行技术研发和创新。从高压MOS管的M2/DM2,到M6/DM6,以及即将推出的M9/DM9,每一代高压MOS管工艺都极大地改善了开关损耗和导通损耗,帮助电源工作者提高电源转换效率。在第三代宽禁带半导体——碳化硅MOSFET和碳化硅二极管方面,意法半导体也是行业的领先。tNyednc

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除了晶圆技术之外,丰富的封装选择和在封装领域的创新也非常重要。在这方面,ST有集成化的模块封装,可以使得设计变得更为紧凑;可以把拓扑搬到封装里,使得设计可靠性、简易度和性能得到极大的提升。顶部散热的封装,HU3PAK和ACEPACK等封装产品,可以解决设计工程师散热的痛点。tNyednc

在马达驱动的应用方面,除了追求高效率,系统的稳定性和抗EMI能力也是被设计人员所关注的。在这样的应用领域,场截止工艺的沟槽型IGBT以及智能IPM模块和功率模块,正好完美地贴合这一设计需求。同时,高压MOSFETDM2系列由于具有非常优秀的体二极管反向恢复的特性,因此可以帮助提高马达驱动的轻载效率。tNyednc

此外,意法半导体在马达驱动方面所提供的不单单是产品,还有方案。tNyednc

今天,在电动工具、家用吸尘器、物流机器人以及无人机市场等电池供电的应用中,低压马达驱动的设计需求变得越来越多。在这个领域,F7低压MOS管正获得广泛使用,这种产品在工艺上具有非常优秀的饱和导通Rdson以及强抗EMI能力,是从40V到100V非常稳定、性能非常优越的一个系列。“从2019年到2022年,市场对F7系列低压MOS管的需求是呈翻番的势态”。未来,F8新一代低压MOS管技术研发和新产品推广也即将到来。这个系列将会覆盖30V到150V,提供更完备的电池电压的应用场合。tNyednc

ST模拟器件和MEMS和传感器产品部总裁Benedetto Vigna、亚太区MEMS产品高级市场经理徐永刚,以及亚太区功率分立与模拟器件产品部工业产品市场总监、自动化技术创新中心负责人Allan Lagasca分别介绍了MEMS传感器以及工业上的模拟器件产品。tNyednc

据介绍,ST在模拟产品,包括MEMS和传感器方面,具有很多非常好的产品特色。第一,在传感器方面拥有广泛的传感器组合,这样在向客户提出解决方案的时候,就可以把不同的传感器结合在一起。在工业市场当中,模拟器件所关注的不仅是通用的模拟芯片,同时还包括特殊的模拟产品。ST主要针对三大方面:界面、电源管理和信号管理。从应用的角度出发,每一个领域都有非常关注于专业应用的解决方案,包括电源转换和运动控制。tNyednc

ST最新的产品MasterGaN,能不断提升电源的转换效率,包括VCT技术上的进展。另外,该公司也推出很多新产品,特别是在ST SPIN和ST GAP产品上,它们都是基于目前的氮化镓技术,特别是60W的产品。tNyednc

最后,从应用来看,ST在每个应用都有相关的产品推出,特别是电源管理芯片,能够针对微控制器进行选择。同时,ST在表计等工业应用领域也不断提出了新的参考设计平台。这里不仅包括传感的设计,还包含传感的新平台,可以把各种类型传感器结合在一起。tNyednc

因此,ST现在的产品不仅能够帮助客户解决现有的应用,还能够帮助不断地赋能未来工业4.0的发展,包括资产追踪、预测性维护、实时监控、计量等等。tNyednc

ST亚太区功率分立与模拟器件产品部工业产品市场总监、自动化技术创新中心负责人Allan Lagasca分享了模拟器件部分。结合STM32系列,STSPIN32能够帮助实现更加有效的电机驱动。tNyednc

同时,STSPIN32系列也实现了最小化,能够更好地根据需求实现便携性。从250V到600V,这个产品组合可以满足高功率和低功率的要求。STSPIN32当中新推出的G4系列,能够帮助实现更高的驱动。tNyednc

对于安全性,新推出的6kV驱动器STGAP使用了碳化硅技术,包括STGAP2SiCS、STGAP2SiCD等产品都在进行有效的产品推广。tNyednc

在电源转换方面,MasterGaN产品是目前高能效的解决方案,它主要基于氮化镓技术,能达到智能充电。也包括无线充电方案,同时能够实现节能。对于MasterGaN来说,氮化镓技术是实现高功率、高功率密度产品的必需。tNyednc

在工厂自动化方面,ST现在已有智能化的开关,和安全相关的解决方案,例如IBS。还有机器传输和沟通方面的产品。tNyednc

图像传感产品则是全球市场上的第一名。对于飞行时间模块,以及不同类型的传感器,大会现场都有展示。ST在图像传感器上提供多合一的模块,包括飞行时间的3D模块,特别在深度图像、视野以及更长的续航方面都有很大优势。还有室内光照明传感器的应用等等。tNyednc

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据ST亚太区微电机产品高级市场经理Vincent Xu介绍,从市场表现来看,意法半导体的MEMS传感器在运动传感器产品方面连续三年市场第一,在气压传感器排名第二,抛开IOS系统应用的话,即在公开市场和安卓市场里连续排名第一。tNyednc

面向中国市场,他特别介绍了两种传感器。一种是刚推出的倾角传感器,相对于其他传统的传感器,这种两轴数字传感器的优势在于两轴,而且是低功耗的,在-4℃到105℃范围内,最大的误差只有0.5℃。而且其中植入了人工智能,可以不需要微处理器判断控制。这款传感器可以用于5G的微波塔、油井油矿、楼宇桥梁的状态监测等应用。tNyednc

第二种是在机器状态监测方面,ST提供了三轴数字SPI通用接口的MEMS电动传感器。它的频率可以高达6kHz,在0~6kHz频响非常平滑,相比于传统的陶瓷压电,成本低、接口灵活、低功耗,噪声也低。这款产品随着智能工业在中国越来越快的推进,很多智能的机器、马达、包括智能电梯、智能楼宇都在使用这款传感器做精准的机器楼宇的状态监测。tNyednc

SiC MOSFET的品质因数怎样做低?

另外,在下午的媒体问答环节,在EDN问及“SiC MOSFET的品质因数FOM=Rdson*Coss通常很难做低,也就是工程师需要在Rdson和Coss之间进行取舍,那么ST在这方面近年来有怎样的技术进展?”时,沐杰励回答道:tNyednc

“我们可以谈谈器件的输出电容与开关速度和Rdson导通电阻三者之间关系。今天,我们的产品的Rdson约为40mΩ,但是,解决方案的封装和引线键合有助于降低或影响Rdson电阻,后工序的封装技术正在发挥作用。输出电容大小完全取决于芯片本身,在这种情况下,我们已经推出了第三代SiC产品。但是我们关心一个问题,我们的竞争对手大多采用沟栅技术,而我们仍在使用标准平面技术。原因很简单,因为我们先进入的是汽车市场,器件稳健性或鲁棒性是我们设计产品时的首要考虑因素。因此,我们决定和选择的目标市场是可靠性要求最高的、最难的市场,例如,汽车和电动汽车。在今天的汽车市场上,只有我们的SiC器件被用在了上路的实车上。因此,我们的器件取得了成功,如今我们的选择获得了丰厚的回报,赢得了60%以上的市场份额。我们的竞争对手别无选择,只得占据工业市场空白。虽然工业市场的鲁棒性要求较低,但没有其他方法可以保证可靠性,我们赢在了这里。这两个参数的平衡问题需要巧妙的设计,我们将推出采用沟栅技术的新一代产品。但是,我们仍然认为,平面技术确实还有改进的空间。我们的下一代产品,也就是第四代SiC,将提供最创新的性能,性能平衡趋于完美。tNyednc

“这看你优先考虑什么。如果优先考虑电容,则是想要获得高性能。今天,我们有一些产品(非专有)可以提高频率,因为SiC主要用于高功率和高温环境。一旦提高频率,开关损耗便开始增加,然后变得难以控制。不仅是意法半导体,整个市场尚不能解决这个问题,具体说,问题不是有源元件,而是无源元件。”tNyednc

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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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