新闻动态

使用 GPIO 满足汽车功能安全要求

汽车原始设备制造商正在构建高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 以提高安全性。ADAS 系统必须满足严格的性能、功耗和成本要求,因此构成 ADAS 和乘客安全系统的片上系统 (SoC) 集成了先进的协议,并建立在领先的 finFET 工艺技术之上。这类新型 ADAS SoC 的设计人员面临着满足 ISO 26262 功能安全要求,同时缩短设计和成熟周期的挑战。此外,ADAS SoC 正在从分布在车辆周围的电子控制单元 (ECU) 中演变为整合在集中式域控制器模块中。域控制器可用于连接、舒适或动力总成域,如图 1 所示。将功能整合到域控制器中导致以前的分布式功能被合并到门数更大的高性能集中式 SoC 中,这些 SoC 必须支持不同类型的串行和并行接口。由于静电放电 (ESD) 等外部干扰因素可能导致单点灾难性故障,设计人员正在谨慎选择 IO 库,以满足或超过 SoC 所需的功能安全性、可靠性和质量指标。


通用 IO (GPIO) 和专用 IO(I2C、I3C、LVDS)是集中式域控制器的重要组成部分,因为它们提供芯片之间的标准接口。IO 库作为 SoC 的环放置,支持与电路板的电源和信号连接,并为 SoC 提供关键保护,防止 ESD 事件或闩锁等电气干扰。图 2 显示了一个常见的域控制器案例研究,其中 CPU 通过 I2C 与数字传感器接口,通过 GPIO 与模拟传感器接口。



本文介绍了 GPIO 在汽车应用中的使用,以及汽车级 GPIO 解决方案如何帮助设计人员加快上市时间并降低风险。

实现 ESD 目标

GPIO 的 ESD 认证包括人体模型 (HBM) > 2KV、充放电管理 (CDM) >5A 和闩锁 (+-100mA)。这三者都必须符合 AEC-A100-002-REV-E,这是根据 ANSI/ESDA/JEDEC JS-001 规范完成的。为了符合要求,HBM 需要满足 500V、1kV 和 2kV 的应力水平而不会发生跳跃。此外,设计人员在 ESD 之前和之后在室温和高温下执行通过/失败测试。测试对设备规格进行全面检查,包括完整的直流参数和功能测试,因此总的测试覆盖率很重要。为确保合规性,设计人员在最高环境工作温度下执行 AEC 资格测试。

要通过这套全面测试,SoC 的 GPIO 库需要支持 ESD 结构以管理内核和电源电压之间的不同情况。例如:

  • 芯片核心区VDDC和VSSC焊盘之间的ESD保护(内部供电至核心)

  • VDDIO 和 VSSIO 焊盘之间的 ESD 保护(外部电源)

  • 充放电保护跨域耗材

  • 芯片核心区任意两地间ESDBUS保护

如果发生 ESD 冲击,ESD 二极管将打开并创建一个低阻抗路径,通过将电流转移到地来限制峰值电压和电流,从而保护 SoC。为了防止 ESD 击穿,GPIO 需要配备特殊的 ESD 钳位,如图 3 所示。图 3 显示了汽车级 GPIO 的 ESD 保护方案。GPIO 包括一个传统的 RC 触发器钳位和一个位于焊盘和地之间的 N 二极管,以支持负击穿 ESD。背靠背二极管支持跨域ESD。除 GPIO 外,此 ESD 保护方案还可用于特殊 IO,例如 I2C、I3C 和 LVDS。

在系统级,为了降低 ESD 风险,SoC 设计人员可以使用其他技术,例如包括旁路电容器、共模滤波器、铁氧体磁珠和/或隔离电阻器。

达到/超过汽车可靠性和质量标准

汽车电子委员会 (AEC) 在 AEC-Q100 规范中定义了汽车 IC 的可靠性测试。AEC-Q100 定义了基于失效机制的压力测试资格。对于 SoC,它定义了最低压力测试驱动的资格要求和参考资格测试条件。

为满足 AEC-Q100 标准并遵守特定应用的功能安全需求,汽车 SoC 团队必须针对特定温度等级进行设计。0 级是最严格的标准,规定的环境温度范围为 -40ºC 至 +150ºC。达到 0 级要求的 SoC 必须集成 IO 库,这些 IO 库的特点是在这个广泛的温度范围内具有足够的设计余量,以提供低缺陷率百万分率 (DPPM) 的可靠性。

除了 AEC-Q100 之外,一些代工厂还要求 IP 满足他们自己的验收标准,该标准规定了基于跨多个过程拆分的最少数量样本的统计分析对零件进行验证和鉴定的要求。根据代工厂对特定工艺的建议,IP 供应商可以通过 5 西格玛设计余量等技术增强其汽车级 GPIO,并在设计中针对工艺、电压和温度的变化进行 Monte Carlo 模拟。

故障模式和影响分析 (FMEA) 使安全认证进一步复杂化。为了降低他们自己的设计和 SoC 认证风险,设计人员应该集成经过 ASIL B 或 ASIL D ISO 26262 认证和创建的 IP,用于安全关键型应用,同时满足 AEC-Q100 要求。经过认证的 GPIO IP 安全包包括故障模式影响和诊断分析 (FMEDA) 报告、安全手册和认证报告,以加速安全评估并帮助达到客户目标 ASIL。这些报告提供了满足更高安全要求的证据,并且硬件元素的系统故障违规风险更低。