正確理解汽車電子設計:系統基礎晶片

作者: 高揚

隨著汽車電子模組日益小型化,對於低功耗和可靠性的要求越來越高;一種包含電源、通訊、診斷、安全監控等特性以及GPIO埠的系統基礎晶片(SBC)車電應用也越來越多…

隨著汽車電子模組的日益小型化,對低功耗和可靠性的要求越來越高。因此,系統基礎晶片(System Basis Chip;SBC)在汽車電子的應用也越來越多。

從廣義上來說,「系統基礎晶片」是一種包含電源、通訊、診斷、安全監控等特性以及通用型輸入輸出(GPIO)的獨立晶片。

本文將針對SBC的以下內容展開介紹:

  • 什麼是SBC?
  • 為什麼使用SBC?
  • SBC應用在哪些地方?
  • SBC的主要特性。

什麼是SBC?

本文一開始即介紹了SBC廣義上的意義。狹義地來說,電源的構成可以是線性電源或者開關電源;通訊包含CAN、CAN FD以及LIN;監控診斷包括喚醒輸入、看門狗(watchdog)、重設、中斷,以及對電路診斷後的故障輸出,以及功能安全的一些特性(見圖1)。

SBC, block diagram

圖1:SBC的系統方塊圖。

為什麼使用SBC?

汽車電子硬體設計中,電源、通訊,包括一些監控(例如看門狗/重設/計時器),都是經由多個電路來實現的。這不僅增加了電路設計的難度,也不利於在可靠性、系統成本、電路板(PCB)空間以及電路功耗等方面做出最佳化。使用了SBC之後,由於SBC內部高度整合了一個基本硬體系統模組的基礎電路功能模組(電源和通訊),使得外部電路得以大幅簡化。這也就體現了SBC這類元件的強大優勢,因此有了廣泛的使用。

SBC的應用

經由第2節的介紹可以看到,在車輛的動力系統、底盤和駕駛輔助系統、車身系統、舒適系統以及混合動力及電驅動系統中,幾乎無處不見SBC,這也說明了這類元件強大的生命力和優勢被廣泛接納的程度。

SBC的主要特性

通用特性

一般來說,SBC通常都具備以下一些通用特性:

  • 5V/3.3V的電源
  • 至少一路CAN (CAN FD)
  • 至少一路LIN
  • 外部喚醒輸入
  • 看門狗功能
  • 重設功能
  • 通訊介面
  • 至少一路或多路GPIO埠,以實現故障輸出/喚醒/高側開關/低側開關
  • 帶有喚醒功能的低功耗模式

從以上的特性來看,所謂SBC中的系統(System),必須包含電源和通訊部份,這也體現了叫做系統基礎晶片名稱的由來。

電源是系統的基礎,因此SBC中首先必須包含電源。一般來說,SBC的電流輸出能力都不是很大,主要是在100mA~150mA。這樣的電流輸出能力可以滿足大多數汽車電子中微控制器(MCU)的電流需求,從而把原本需要的外部電源整合到SBC內部。其實電流輸出能力也可以做得更大一些,但考慮到功耗以及散熱問題,只要夠用就可以了。有些採用DC/DC的SBC將輸出電流做到了1.5A,用於為系統的主微控制器供電,例如恩智浦半導體(NXP)的MC34FS6408電源系統基礎晶片。不過這類元件還是少數。

通訊部份在SBC也不可或缺,帶有CAN、CAN FD和LIN的介面也就成為了SBC的標配。值得注意的是,有些半導體公司的產品中會有多路CAN的SBC,同時也帶有LIN,這些都是為了適應不同的系統需求而開發出來的晶片。因為這些SBC中都包含有CAN,所以就用包含LIN的數量來進行簡單歸納(見圖2)。由於系統需要在待機的狀況下被喚醒,所以還需要有外部喚醒輸入,這樣可以讓模組在待機時降低功耗和靜態電流。

此外,SBC還有一些與安全有關的功能,例如看門狗和重設功能,都是可以由通訊(一般是SPI)來進行配置和管理的,從而滿足安全的設計要求。

SBC, chip list

圖2:常見的SBC晶片列表。

特殊功能

除了上述的通用特性之外,有些SBC還具備特殊功能,例如電源管理和功能安全,像是NXP的UJA1061TW容錯CAN/LIN故障安全系統基礎晶片。

1. 電源管理

電源管理在汽車電子設計中也是比較複雜的部分,因為要考慮到多個子電路之間的狀態以及通訊,以及如何控制不同子電路的供電。有了SBC後就可以比較簡單地處理這些難題,甚至可以用軟體來實現之前由硬體來完成的一些任務,例如計時器、週期性的喚醒晶片等。

電源管理功能主要包括:

• 智慧的運行模式和電源管理模式
• 在待機和睡眠模式下週期性喚醒的能力
• 具有週期性供電功能的本地喚醒輸入
• 透過CAN/LIN匯流排遠端喚醒的能力
• 外部電源可以很容易地整合在電源系統中
• 透過高側開關驅動外部負載,例如繼電器和喚醒開關
• 智慧遮罩中斷輸出

2. 功能安全

功能安全是汽車電子對安全的日益增加而產生的,最早應用在工業和航太領域。以下是功能安全功能的特性列表:

• 可預測在所有條件下的安全機制
• 可程式設計故障安全程式碼視窗和帶晶片振盪器的超時看門狗,確保失效故障的自動系統監控
• 16位元SPI介面微控制器的故障安全程式碼
• 用於控制安全關鍵硬體的全域使能接腳
• 故障檢測和詳細報告
• 晶片振盪器的故障警報和看門狗警報
• 基於診斷的嚴格錯誤處理
• 23位元可存取和保護的RAM,例如用於記錄週期性問題
• 在單個SPI中報告消息,不需要用多個SPI
• 故障保護模式(limp-home;或稱「跛行回家」)輸出訊號,用於在系統進入故障保護模式時啟動硬體,例如打開警告燈
• 在軟體開發模式和快閃記憶體模式下的故障安全程式碼啟動
• 唯一的SPI可讀設備類型標識
• 軟體啟動系統重啟

從以上的清單中可以得知在需要使用SBC的系統設計中,電源管理和功能安全使得SBC的優勢發揮得淋漓盡致。這是因為在晶片整合系統的時候,每個晶片都可以在開發的初期就考慮得非常仔細和完整,從而不需要後期用離散式元件以及軟體程式碼來實現這些複雜的系統設計,包括功能安全和電源管理等。因此,這類包含「特殊」功能的SBC發展成為獨立的一類,叫做功能安全SBC (Functional Safety SBC)。

綜上所述,除了本文介紹的這些SBC,還有一些其它衍生出來的家族成員,例如迷你SBC (Mini System Basis Chip)、LIN迷你SBC (LIN Mini System Basis Chip),以及上述的功能安全SBC等。這些家族成員使得SBC成為一類具備強大生命力的元件。

本文同步刊登於電子技術設計雜誌2020年1月號

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