主要介紹GPIO在汽車應用中的使用

汽車OEM正在構建高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)以提高安全性。ADAS系統(tǒng)必須滿足嚴格的性能、功耗和成本要求，因此構成ADAS和乘客安全系統(tǒng)的SoC集成了先進的通信協(xié)議，并建立在領先的finFET工藝技術之上。

這類新型ADAS SoC的設計人員面臨著挑戰(zhàn)：他們必須滿足ISO 26262功能安全要求，同時縮短設計和產(chǎn)業(yè)化周期。

此外，ADAS SoC正在從分布在車輛周圍的電子控制單元(ECU)中整合到集中式域控制器模塊中。

域控制器可用于車聯(lián)網(wǎng)、舒適或動力系統(tǒng)域，如圖1所示。將功能整合到域控制器中，導致以前的分布式功能被合并到邏輯門數(shù)量更多、性能更高的集中式SoC中，這些SoC必須支持不同類型的串行和并行接口。

由于靜電放電(ESD)等外部因素可能導致單點故障，所以設計人員正在認真選擇滿足或超過SoC所需的功能安全、可靠性和質(zhì)量指標的IO庫。

圖1：汽車系統(tǒng)正在從分布式ECU轉(zhuǎn)變?yōu)榧惺接蚩刂破?，對單點潛在故障提出了更高的要求。

通用IO (GPIO)和專用IO（I2C、I3C、LVDS）是集中式域控制器的重要組成部分，因為它們提供了芯片之間的標準接口。

IO庫作環(huán)繞在SoC周圍，可實現(xiàn)與電路板的電源和信號的連接，并為SoC提供關鍵保護，防止ESD或閂鎖等電氣干擾。

圖2是一個常見的域控制器案例研究，其中CPU通過I2C與數(shù)字傳感器連接，并通過GPIO與模擬傳感器連接。

圖2：域控制器使用各種IO在傳感器和芯片之間進行通信。

本文主要介紹GPIO在汽車應用中的使用，以及符合汽車標準的GPIO解決方案如何幫助設計人員加快產(chǎn)品上市時間并降低風險。

實現(xiàn)ESD目標

GPIO的ESD認證包括人體模型(HBM)>2KV、充電放電管理(CDM)>5A和閂鎖(+-100mA)。這三個都必須符合AEC-A100-002-REV-E，這是按照ANSI/ESDA/JEDEC JS-001規(guī)范完成的。

為了符合要求，HBM需要在不跳過的情況下滿足500V、1kV和2kV的應力水平。

此外，設計人員在室溫和高溫下，在ESD之前和之后執(zhí)行測試。

測試對設備規(guī)格進行全面檢查，包括完整的直流參數(shù)和功能測試，因此總體測試覆蓋率很重要。

為確保閂鎖合規(guī)性，設計人員在最高環(huán)境工作溫度下執(zhí)行AEC合規(guī)測試。

為了通過這套全面測試，SoC的GPIO庫需要支持ESD結構，以管理內(nèi)核和電源電壓之間的不同場景。例如：

·芯片核心區(qū)域的VDDC和VSSC焊盤之間的ESD保護（內(nèi)部電源到核心）

·VDDIO和VSSIO焊盤之間的ESD保護（外部供電）

·充放電保護跨域電源

·芯片核心區(qū)任意兩個地之間的ESDBUS保護

在發(fā)生ESD沖擊的情況下，ESD二極管將開啟并創(chuàng)建一個低阻抗路徑，通過將電流轉(zhuǎn)移到地來限制峰值電壓和電流，從而保護SoC。

為了防止ESD擊穿，GPIO需要配備特殊的ESD鉗位，如圖3所示。圖3顯示了汽車級GPIO的ESD保護方案。

GPIO包括一個傳統(tǒng)的RC觸發(fā)鉗位和一個位于焊盤和接地之間的N二極管，以支持負沖擊ESD。

背靠背二極管支持跨域ESD。除GPIO外，此ESD保護方案還可用于I2C、I3C和LVDS等特殊IO。

圖3：汽車級GPIO IP的ESD保護方案。

在系統(tǒng)級別，為了降低ESD風險，SoC設計人員可能會使用其他技術，例如旁路電容器、共模濾波器、鐵氧體磁珠和/或隔離電阻器。

達到/超過汽車可靠性和質(zhì)量標準

汽車電子委員會(AEC)在AEC-Q100規(guī)范中定義了汽車IC的可靠性測試。AEC-Q100定義了基于失效機制的壓力測試資格。對于SoC，它定義了由壓力測試驅(qū)動的最低資格要求，并參考了資格測試條件。

為了滿足AEC-Q100標準并堅持特定應用的功能安全需求，汽車SoC團隊必須設計到一定的溫度等級。0級是最嚴格的標準，規(guī)定環(huán)境溫度范圍為-40oC至+150oC。需要達到0級的SoC必須集成IO庫，這些庫已經(jīng)在這個廣泛的溫度范圍內(nèi)進行了表征，并具有足夠的設計裕度，以提供低缺陷部件/百萬(DPPM)可靠性。

除了AEC-Q100之外，一些代工廠還要求IP滿足他們自己的驗收標準，該標準規(guī)定了基于跨多個工藝拆分的最小樣本數(shù)量的統(tǒng)計分析對零件進行驗證和鑒定的要求。根據(jù)代工廠對特定工藝的建議，IP供應商可以通過5 sigma設計余量等技術增強其汽車級GPIO，并在設計中使用Monte Carlo仿真，以適應工藝、電壓和溫度的變化。

故障模式和影響分析(FMEA)使安全認證更加復雜。為降低他們自己的設計和SoC認證風險，設計人員應集成經(jīng)過ASIL B或ASIL D ISO 26262認證并創(chuàng)建用于安全關鍵型應用的IP，同時滿足AEC-Q100要求。經(jīng)認證的GPIO IP安全包包括故障模式影響和診斷分析(FMEDA)報告、安全手冊和認證報告，以加快安全評估并幫助達到客戶目標ASIL。這些報告提供了滿足更高安全要求的證據(jù)，同時降低了硬件元件系統(tǒng)故障的違規(guī)風險。

結論

汽車趨勢正在推動開發(fā)具有復雜ADAS處理器的集中式域控制器，這些處理器執(zhí)行多種功能并與各種不同的輸入接口。為了在保護乘客安全的同時支持汽車應用，IO庫必須保護域控制器SoC免受ESD等攻擊者的影響。為了滿足嚴格的ESD目標和汽車要求，IP供應商必須采用特殊的IO設計技術：AEC-Q100和JEDEC等標準要求額外的IO設計和測試要求。?

審核編輯：劉清