內(nèi)容提要：本文主要介紹GPIO在汽車應(yīng)用中的使用，以及符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的GPIO解決方案如何幫助設(shè)計(jì)人員加快產(chǎn)品上市時(shí)間并降低風(fēng)險(xiǎn)。

汽車OEM正在構(gòu)建高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)以提高安全性。ADAS系統(tǒng)必須滿足嚴(yán)格的性能、功耗和成本要求，因此構(gòu)成ADAS和乘客安全系統(tǒng)的SoC集成了先進(jìn)的通信協(xié)議，并建立在領(lǐng)先的finFET工藝技術(shù)之上。這類新型ADAS SoC的設(shè)計(jì)人員面臨著挑戰(zhàn)：他們必須滿足ISO 26262功能安全要求，同時(shí)縮短設(shè)計(jì)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(dòng)力系統(tǒng)域，如圖1所示。將功能整合到域控制器中，導(dǎo)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(dǎo)致單點(diǎn)故障，所以設(shè)計(jì)人員正在認(rèn)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(biāo)的IO庫。

圖1：汽車系統(tǒng)正在從分布式ECU轉(zhuǎn)變?yōu)榧惺接蚩刂破鳎瑢?duì)單點(diǎn)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?yàn)樗鼈兲峁┝诵酒g的標(biāo)準(zhǔn)接口。IO庫作環(huán)繞在SoC周圍，可實(shí)現(xiàn)與電路板的電源和信號(hào)的連接，并為SoC提供關(guān)鍵保護(hù)，防止ESD或閂鎖等電氣干擾。圖2是一個(gè)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(jìn)行通信。

本文主要介紹GPIO在汽車應(yīng)用中的使用，以及符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的GPIO解決方案如何幫助設(shè)計(jì)人員加快產(chǎn)品上市時(shí)間并降低風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)現(xiàn)ESD目標(biāo)

GPIO的ESD認(rèn)證包括人體模型(HBM)>2KV、充電放電管理(CDM)>5A和閂鎖(+-100mA)。這三個(gè)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(yīng)力水平。此外，設(shè)計(jì)人員在室溫和高溫下，在ESD之前和之后執(zhí)行測試。測試對(duì)設(shè)備規(guī)格進(jìn)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，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(hù)（內(nèi)部電源到核心）

·VDDIO和VSSIO焊盤之間的ESD保護(hù)（外部供電）

·充放電保護(hù)跨域電源

·芯片核心區(qū)任意兩個(gè)地之間的ESDBUS保護(hù)

在發(fā)生ESD沖擊的情況下，ESD二極管將開啟并創(chuàng)建一個(gè)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(hù)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(jí)GPIO的ESD保護(hù)方案。GPIO包括一個(gè)傳統(tǒng)的RC觸發(fā)鉗位和一個(gè)位于焊盤和接地之間的N二極管，以支持負(fù)沖擊ESD。背靠背二極管支持跨域ESD。除GPIO外，此ESD保護(hù)方案還可用于I2C、I3C和LVDS等特殊IO。

圖3：汽車級(jí)GPIO IP的ESD保護(hù)方案。

在系統(tǒng)級(jí)別，為了降低ESD風(fēng)險(xiǎn)，SoC設(shè)計(jì)人員可能會(huì)使用其他技術(shù)，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(dá)到/超過汽車可靠性和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

汽車電子委員會(huì)(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(jī)制的壓力測試資格。對(duì)于SoC，它定義了由壓力測試驅(qū)動(dòng)的最低資格要求，并參考了資格測試條件。

為了滿足AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)并堅(jiān)持特定應(yīng)用的功能安全需求，汽車SoC團(tuán)隊(duì)必須設(shè)計(jì)到一定的溫度等級(jí)。0級(jí)是最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定環(huán)境溫度范圍為-40oC至+150oC。需要達(dá)到0級(jí)的SoC必須集成IO庫，這些庫已經(jīng)在這個(gè)廣泛的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了表征，并具有足夠的設(shè)計(jì)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(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了基于跨多個(gè)工藝拆分的最小樣本數(shù)量的統(tǒng)計(jì)分析對(duì)零件進(jìn)行驗(yàn)證和鑒定的要求。根據(jù)代工廠對(duì)特定工藝的建議，IP供應(yīng)商可以通過5 sigma設(shè)計(jì)余量等技術(shù)增強(qiáng)其汽車級(jí)GPIO，并在設(shè)計(jì)中使用Monte Carlo仿真，以適應(yīng)工藝、電壓和溫度的變化。

故障模式和影響分析(FMEA)使安全認(rèn)證更加復(fù)雜。為降低他們自己的設(shè)計(jì)和SoC認(rèn)證風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)集成經(jīng)過ASIL B或ASIL D ISO 26262認(rèn)證并創(chuàng)建用于安全關(guān)鍵型應(yīng)用的IP，同時(shí)滿足AEC-Q100要求。經(jīng)認(rèn)證的GPIO IP安全包包括故障模式影響和診斷分析(FMEDA)報(bào)告、安全手冊和認(rèn)證報(bào)告，以加快安全評(píng)估并幫助達(dá)到客戶目標(biāo)ASIL。這些報(bào)告提供了滿足更高安全要求的證據(jù)，同時(shí)降低了硬件元件系統(tǒng)故障的違規(guī)風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)論

汽車趨勢正在推動(dòng)開發(fā)具有復(fù)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(hù)乘客安全的同時(shí)支持汽車應(yīng)用，IO庫必須保護(hù)域控制器SoC免受ESD等攻擊者的影響。為了滿足嚴(yán)格的ESD目標(biāo)和汽車要求，IP供應(yīng)商必須采用特殊的IO設(shè)計(jì)技術(shù)：AEC-Q100和JEDEC等標(biāo)準(zhǔn)要求額外的IO設(shè)計(jì)和測試要求。 

作者：牛喀網(wǎng)專欄作者
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