汽车MCU

汽车微控制器(MCU)的市场巨大,在过去十年中约占MCU总销量的40%。然而,该市场在过去几年中一直处于不均衡的状态,继2017年增长12%之后,2018年全球汽车MCU销量放缓,仅增长1%。2019年,全球经济衰退导致新车需求停滞不前,随后爆发了Covid-19病毒大流行,2020年全球经济受到重创。

2020年夏季,在冠状病毒驱动下最严重的衰退结束,汽车和其他终端市场企稳,需求在年底前恢复。但是,在200mm晶圆生产线上,MCU和其它半导体芯片的交付量增加,其工艺不如领先水平,落后于反弹推动的上升趋势。尽管今年一些微控制器和汽车制造商持续短缺,不得不暂时关闭装配线,根据IC Insights对McClean2021年报告的年中更新,预计2021年汽车MCU销售额将激增23%,达到创纪录的76亿美元,随后在2022年和2023年将强劲增长14%和16%(见图1)。

“图1"
图1

尽管在2021年上半年遇到了一些挫折,比如2月份历史性的北极寒流期间德克萨斯州的晶圆厂因大规模停电而关闭,日本的几家晶圆加工厂因火灾而遭受严重破坏,IC制造商表示,他们正在加大汽车MCU的生产力度。例如,台积电(TSMC)在2021年7月表示,与去年同期的产量相比,其第三季度汽车微控制器产能增加60%,比大流行前水平提高30%。

超过四分之三的汽车MCU销售来自32位的,预计今年约58亿美元,其次是16位收入预测为13亿美元,8位预计2021年为4.41亿美元(见图1)。32 位 MCU的平均销售价格上升,部分原因在于市场供应紧张,从而推高了今年的销量。年中预测显示,在2015年至2020年间复合年增长率(CAGR)下降至-4.4%之后,所有32位MCU的ASP在2021年增长了13%,达到0.72美元。

汽车信息娱乐(检索数字地图的娱乐和信息系统,通过互联网和卫星传输确定位置和访问数据)预计将占2021年汽车 MCU 销售额的 10%(约 7.8 亿美元),而用于车辆其他部分(发动机控制、动力总成、制动器、转向、动力窗、电池管理等)的微控制器预计将占今年收入的 90%(68 亿美元)。IC Insights的年中更新显示,预计2021年信息娱乐MCU销售额将从2020年的4.95亿美元增长59%,而汽车MCU的其他收入预计将比去年的约57亿美元增长20%。

汽车业很受伤

根据 Susquehanna 报告,微控制器(MCU,汽车、工业设备和家用电子产品所需的逻辑芯片)短缺状况在 7 月份加剧,这类芯片的交付周期现在为 26.5 周,而以前通常为 6-9 周。

半导体供应短缺,感受最深的是汽车行业,机构预计芯片短缺可能造成 1000 亿美元的汽车销售额损失。

据媒体报道,受到全球芯片短缺影响,保时捷的车主无法提车。保时捷计划在部分车型上使用临时芯片代替,当真正的芯片有货时,再进行替换。

此外,福特近日向已美国地区预订野马系列 Mach-E 纯电动汽车的车主发送电子邮件称,因一些芯片供不应求,预定 Mach-E 车主的新车交付时间将至少推迟 6 周,一旦得到了所需芯片,福特将立即以电子邮件的方式通知用户。

与此同时,日产汽车周二 (10 日)也表示,由于芯片短缺,位于田纳西州士麦那 (Smyrna) 的一家拥有 6,700 名工人的大型日产工厂将从周一开始关闭两周,预计到 8 月 30 日才恢复生产。

Guidehouse Research 首席分析师 Sam Abuelsamid 表示,士麦那是日产的重要工厂,该工厂关闭表明半导体短缺可能不会很快结束,“看起来它至少会延续到新的一年。”

投资者关注交付周期,主要寻找有关半导体用户超额预订和库存积压的线索,因为这些通常是需求下滑的预兆。芯片行业高管们认为这次不能这么想,认为客户比过去更愿意做出长期供应承诺。

来源:网络
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围观 17

汽车电子MCU的抗EMI设计

随着集成电路集成度的提高,越来越多的元件集成到芯片上,电路功能变得复杂,工作电压也在降低。当一个或多个电路里产生的信号或噪声与同一个芯片内另一个电路的运行彼此干扰时,就产生了芯片内的EMC问题,最为常见的就是SSN(Simultaneous Switch Noise,同时开关噪声)和Crosstalk(串音),它们都会给芯片正常工作带来影响。由于集成电路通过高速脉冲数字信号进行工作,工作频率越高产生的电磁干扰频谱越宽,越容易引起对外辐射的电磁兼容方面问题。基于以上情况,集成电路本身的电磁干扰(EMI)与抗扰度(EMS)问题已成为集成电路设计与制造关注的课题。

集成电路电磁兼容不仅涉及集成电路电磁干扰与抗扰度的设计和测试方法,而且有必要与集成电路的应用相结合。针对汽车电子领域来讲,将对整车级、零部件级的电磁兼容要求强制性标准,结合到集成电路的设计中,才能使电路更易于设计出符合标准的最终产品。作为电子控制系统里面最为关键的单元——微控制器(MCU),其EMC性能的好坏直接影响各个模块与系统的控制功能。

本文在汽车电子MCU 中采用抗EMI的设计方法,依据IEC61967传导测试标准,对汽车电子MCU进行电磁干扰的测试。

汽车电子MCU设计方法

下面介绍在汽车电子MCU中使用的可行性设计方法以及其他几种抗EMI设计技术。

时钟电路设计

由于时钟电路产生的时钟信号一般都是周期信号,其频谱是离散的,离散谱的能量集中在有限的频率上。又由于系统中各个部分的时钟信号通常由同一时钟分频、倍频得到,它们的谱线之间也是倍频关系,重叠起来进而增大辐射的幅值,因此说时钟电路是一个非常大的污染源。

针对汽车电子MCU 数字前端设计,在抗EMI方面采用门控时钟的方法改进。任何时钟在不需要时都应关闭,减低工作时钟引起的电磁发射问题。根据A8128(汽车电子MCU的型号)芯片系统功能设计要求,采用Run、Idle、Stop和Debug四种工作模式,在每一种工作模式下针对系统时钟、外设模块时钟进行适当门控。此外,还有几种在时钟方面常见的抗EMI的设计方法,包括:

①降低工作频率

MCU的工作时钟应该设定为满足性能要求所需的最低频率。从下面的测试结果可以看出,一个MCU的运行频率由80MHz变为10MHz,可以使频谱宽频范围内的干扰峰值产生几十dBμV 的衰减,而且能够有效的降低功耗。

②异步设计

异步电路工作没有锁定一个固有频率,电磁辐射大范围均匀分布而不会集中在特定的窄带频谱中。这一关键本质特征决定了即使异步电路使用大量的有源门电路,它所产生的电磁发射也要比同步电路小。

③扩展频谱

扩展频谱时钟是一项能够减小辐射测量值的技术,这种技术对时钟频率进行1%~2%的调制,扩散谐波分量,在CISPR16或FCC发射测试中峰值较低,但这并非真正减小瞬时发射功率。因此,对一些快速反应设备仍可能产生同样的干扰。扩展频谱时钟不能应用于要求严格的时间通信网络中,比如FDD、以太网、光纤等。

IO端口设计

在汽车电子MCU 的输入输出端口设计中,也加入了抗EMI方案,包括翻转速率(slew rate control)和驱动强度(drive strength)控制方法。通过在所有通用P口引入可配置的翻转速率和驱动强度寄存器,在需要的时候打开相应功能。翻转速率有打开和关闭两种选择,打开后能够有效地平缓上升沿或者下降沿,降低瞬态电流,进而控制芯片产生的电磁干扰强度。驱动强度有强驱动电流和弱驱动电流两种选择,在能够满足工作驱动强度的情况下,选择弱电流驱动会更好的控制电磁干扰现象。

另外,基于GSMC 180nm工艺库,选择具有施密特触发特性的IO,可以有效地平缓输入信号中带进来的尖峰或者噪声信号等,对芯片的电磁抗扰度有所帮助。

来源:E芯微电子

围观 309

在汽车应用中,微控制器(MCU)提供着至关重要的性能。随着价格的降低及整固的增加等原因,MCU也逐渐走向商品化。但是对于不同的MCU来说,仍存在很大的差异,因此如何选择合适的汽车MCU以降低成本而不影响所需的性能也变得尤为重要。

微控制器(MCU)在从电机控制,到信息娱乐系统和车身控制等越来越宽泛的汽车应用中提供至关重要的性能。随着价格的下降和整固的增加,微控制器正变得越来越普及,这意味着MCU被越来越多地视为商品。尽管存在这种商品化趋势,汽车系统设计工程师仍然认为不同的控制器会有很大的差异,包括各种级别的集成度和功率要求。选择MCU通常可以缩减材料成本(BOM),从而有效地降低电子控制单元(ECU)本身的价格。

选择汽车MCU时,设计工程师可以考虑以下10个重要因素,实现成本压力与应用所需的特定性能特色之间的平衡。

1.低压检测

MCU工作时的故障风险之一是在临界点时电源电压或MCU内部电压可能降至所需电平以下。显然,如果工作电压无法保证,而超出了推荐电源电压之外的话,这就会引发故障。

传统系统采用外部电压监测IC来检查电压。不过,这个功能可以通过一个既监测MCU内部电压,又监测外部电源电压电平的内部区块整合到MCU中。如图1所示,当电压降至预设的阈值以下时,MCU会自动重置。阈值电平可以从一组预先设定值(7个)中进行选择,富士通的最新MCU产品就是这样。这种方法可以从BOM中去掉外部元器件,从而降低成本。


图1:低压检测和自动重置

2.看门狗计时器

要考虑的另一个重要功能是看门狗计时器(WDT),这种计时器有助于从“失控的微处理器”或“杂乱状况下的处理器”等故障情况中恢复。该模块一旦检测到MCU处于无响应状态就会重置MCU。过去,嵌入式系统采用外部IC来执行此功能,不过,可以在MCU中整合多个看门狗计时器。例如,一个计时器可以作为CPU操作系统时钟外部的独立时钟工作。此计时器将基于较慢的CR时钟,适合作为MCU的硬件看门狗使用,或者用于较长的软件循环从而防止出现失控状况。另一个计时器可以基于较快的外围时钟。理论上,当计时器可能由于某些错误状况而反馈过快时,看门狗计时器会支持窗口功能,此时也会重置MCU。


图2:内置看门狗计时器

3.专用NV存储器

与看门狗计时器一样,EEPROM历来都是MCU的外部器件。不过,也有可能通过采用专用ROM将这类存储装置变成内部器件。提高稳定性和采用纠错机制可以进一步增强内置EEPROM。

将EEPROM整合到内部的高级方法是采用具有双重操作功能的闪存。闪存存储库的一部分可以进行读取,而另一部分库则可以进行编程,通过单个闪存模块来实现EEPROM。另一种方法是实现两个闪存模块,不过这种方法的开销会比双重操作闪存的开销大。比如,富士通MCU具有高达100,000擦除/编程周期的高可靠性EEPROM方案。这些MCU还支持ECC,可将数据保留长达20年之久。现在,用来将闪存控制为EEPROM功能的商用级软件已经开始供货。

4.汽车接地

由于电子控制单元定位方式的原因,汽车环境中的电气连接确实非常长。汽车系统包含许多ECU和汲取相对较大电流的其他装置。因此,除了ECU本身产生的寄生噪声之外,电气接地电平往往不理想,可能会在一定范围内漂移。


图3:漂移的汽车接地

根据这样的接地情况进行MCU设计会提高鲁棒性和故障安全等级。高级MCU往往是根据汽车情况针对标准化VIL进行设计的。由于“浮地”有助于防止出错,从而提高了ECU品质。

5.Vbat电平直接输入

汽车系统中的某些ECU可以处理电池电平电压周围的I/O信号。对于基于CMOS设计的半导体,I/O信号是VCC电平的最大值,一般在3V至5V范围内。因此,需要转换器器进行电压电平转换。某些情况下,可以实现电压保护,从而允许高压信号通过限流电阻直接相连。富士通MCU的设计通过一个内部保护二极管和一个外部限流器来支持此功能。此方法可以减少PCB上所需的元器件数,从而进一步降低成本。


图4:直接输入Vbat电平信号

6.终端功能重定位

在对引脚数相当大的IC进行PCB布局时尽可能保持最小的层数往往很有挑战。PCB上的外围元器件无法总是根据MCU的引脚分布进行理想的定位。有时,如果MCU具有将其内部模块重定位至另外一组引脚的内置灵活性的话就会很有用。这可以通过软件设置来实现。这种能力可以提高PCB布局过程中的灵活性。


图5:IO终端重定位

7.ADC辅助功能

模数转换器(ADC)一直以来都是嵌入式系统的一个基本功能块。ADC可将信号从模拟域转换至数字域,从而使得能够访问来自模拟域的信息。

可以根据具体的应用修改ADC功能块基于ADC功能块对MCU进行区分。这种增强可以区分整个MCU封装。比如,ADC模块可以在硬件中支持范围比较器和脉冲检测功能。这些功能对于仪表板中的步进电机控制等应用、电源监测和传感器应用非常有用。ADC可以处理来自步进电机线圈的输入信号,以执行零点检测(ZPD)。在硬件中完成处理任务时,CPU可以在其它地方使用其MIPS。

8.LIN硬件辅助功能

本地互连网络(LIN)是一种成本低廉的低速通信技术,该技术在车身应用中得到了广泛的应用。通过LIN总线可实现自动帧头的传输和检测、通信测试功能、变量中断长度生成、以及硬件中的校验和生成和验证等功能。因此,使用LIN总线有助于增强MCU性能。此方法用于其他地方时有助于节省CPU的MIPS。

9.ZPD增强

对于仪表板应用而言,ECU采用零点检测(ZPD)来确定指针何时到达终点以便停止步进电机。此功能要求步进电机控制器(SMC)读取和评估电机线圈中的电压信号(也称为“反电动势”),从而进行检测。增加硬件支持可以增强SMC,从而进行电压评估,这样,实现ZPD就无需任何外部元器件。此外,大多数反电动势评估也可以采用硬件机制来进行。(在这方面,上文中提到的ADC范围比较器和脉冲检测功能比较有用。)此外,此方法只需要最小的CPU使用率

10.位置和转数计

以硬件区块的形式提供四位置和转数计(QPRC)功能十分有利。这样,用户就可以在音频和导航应用中实现飞梭(jog-dial)功能。此模块可以控制旋转程度和方向,确定旋转速度。从理论上讲,这可以通过在MCU中采用标准输入捕获单元来实现。不过,实现专门用于这些任务的专用硬件模块可使CPU节约资源,从而实现系统内更好的任务分配和简化的软件包。

选择最佳供应商

选择汽车MCU时还要考虑一个关键因素:找一家历史悠久、市场份额较大的公司。还需要考虑供应商能否提供针对五花八门的汽车应用的各种MCU,包括车身、电源轨和车载信息系统。找一条包含基于经过业界验证、专有CPU和标准ARM架构的16位和32位MCU的汽车产品线。

总之,尽管汽车微控制器出现商品化发展趋势,MCU仍能提供能够提高系统性能,但不一定会增加成本的各种不同的特殊功能。细心选择汽车MCU可以大幅提高以高成本效益,实现最终产品差异化的潜力。选择一家信誉可靠、产品多样、具有强大支持的MCU供应商会让MCU设计过程变得更简单、更高效。

来源:21ic电子网

围观 29

  •   大容量片上存储器,支持ECU软件安全OTA更新,便于车企简化车辆维护步骤,向客户推广更多产品服务
  •   千兆和百兆以太网端口驱动高速车载网络
  •   完全兼容EVITA[1]的硬件安全模块保障网联汽车和乘客的安全

横跨多重电子应用领域的全球领先的半导体供应商意法半导体 (STMicroelectronics,简称ST;纽约证券交易所代码:STM)推出最新的高性能多接口多核汽车微控制器,让网联汽车变得更安全,应用开发更灵活,为获得最新的性能升级提供保障。

随着车辆动力总成、车身、底盘和信息娱乐系统等关键功能日益软件化,通过空中下载技术(OTA)安全地提供修复补丁、可选包等更新程序,汽车厂商可以提高成本效益,为用户提供更多便利。意法半导体最新的Chorus汽车微控制器拥有最先进的安全技术和充裕的片上代码存储容量,跻身于业界首批能够安全处理主要OTA更新的汽车网关/域控制器芯片之列。

作为意法半导体Chorus系列汽车微控制器的新旗舰产品,SPC58 H Line搭载三颗高性能处理器内核,RAM容量超过1.2 MB,并配备功能强大的片上外设,可同时运行多个不同的应用软件,实现灵活性和成本效益更高的车载电子系统架构。两个独立的以太网端口可以在整个车辆上的多个Chorus芯片之间搭建一条高速数据连接通道,并实现响应快速的车载诊断功能。Chorus还具有16个CAN-FD接口和24个LINFlex™接口,可用作网关连接多个ECU(电控单元),并通过片上2个以太网接口支持智能网关功能。

意法半导体汽车和分立器件事业部战略和微控制器业务部总监Luca Rodeschini表示:“汽车厂商的新车研发、配置、部署和维护方式正在发生变化,因为软件实现的功能让汽车电子系统的高级功能、灵活性和便利性得到更广泛的应用。我们最新的性能最高的Chorus微控制器支持OTA技术,配备两个传输速度高达千兆位的以太网端口,为设计人员开发车载设备无缝安全连接和控制提供了一个先进平台。”

为了保护网联汽车的功能,安全地安装OTA软件更新,新的Chorus芯片集成了硬件安全模块(HSM)。该模块具有非对称加密功能,完全符合EVITA标准,实现了业界领先的攻击防御、检测和临时围堵技术。

主要客户已经获得用于下一代汽车智能网关和车身控制模块的SPC58 Chorus H Line微控制器的样片,同时我们还在评测新微控制器是否适用于电池管理单元和ADAS安全控制器。

技术说明:

新的顶配Chorus微控制器SPC58NH92x配备10MB的片上闪存,采用RAM容量超过1.2MB、时钟频率200MHz的三核PowerArchitecture架构,CoreMark测试成绩高达1763分,内置ST的经过验证的PowerArchitecture®z4安全内核,开发人员可以灵活地使用微控制器,在同一个微控制器上同时运行多个应用程序或任务,将微控制器的性能发挥到极致。该产品还兼具ASIL-D安全功能。

配合10MB的大容量闪存,SPC58NH92x的上下文切换机制允许当前应用程序代码连续运行,即使在下载更新并准备稍后安装时也不会中断。更新后,旧版软件可以保留,以便在紧急情况下选择退回到以前的版本。新产品还集成了Hyperbus和eMMC / SDIO高速片外存储器接口,在需要时可以进一步扩展存储空间。

Chorus HSM模块基于经过市场验证的Power Architecture架构,这是一个开发者非常熟悉且使用广发的处理器架构,因此,现有的开发工具投资还可以继续利用。

除让其在待机状态下仍能执行关键功能的可配置的智能低功耗模式外,Chorus微控制器还经济实惠,适合包括混合动力和电动汽车在内的节能意识最强的应用。

SPC58NH92x扩展了意法半导体的汽车微控制器产品组合,提升了以单核或多核Power Architecture架构和针对汽车应用优化的创新外设为特色的32位SPC5产品家族的实力。

SPC58 Chorus H Line的软件也非常好用,为用户提供SPC5 Studio开发环境以及生产级AUTOSAR MCAL驱动程序、安全固件和安全库。

SPC58NH92x有各种配置可选。现在可为主要客户提供样品,预计将于2020年中期投产。

围观 308

产品是新一代汽车控制RH850/E2x系列MCU

从底层硬件扩展了整个Renesas autonomy™端到端解决方案组合

3月27日,瑞萨电子株式会社发布了业界第一款使用28nm工艺的集成闪存微控制器(MCU),并于即日起开始交付样片。为了打造下一代更高效、更可靠的环保汽车和自动驾驶汽车,这款革命性的RH850/E2x系列微控制器内置了多达6个400Mhz的处理器核心,成为业界第一款(注1)能达到9600MIPS(注2)指令处理能力的车用控制片内闪存MCU。该系列MCU还具有多达16MB的内置闪存以及更完善的安保功能和功能安全性。

Renesas autonomy™是瑞萨电子面向智能辅助驾驶和自动驾驶开发推出的开放、创新和可信赖的开发平台。通过该平台,瑞萨电子为汽车行业向下一代环保汽车、网联汽车、自动驾驶汽车的进化提供端对端的解决方案。28nm工艺的车用控制MCU是一款突破性的产品,为云服务互连和环境感知而设计。它具备下一代汽车控制系统所需的先进技术,并与瑞萨R-Car系列片上系统(SoC)组成了Renesas autonomy平台的主要产品支柱。汽车制造商及日本电装等一级供应商,已经开始采用该28nm MCU产品,并一致认同该MCU优越的处理性能可帮助发展下一代的节能型发动机。同时该MCU具有空前的可扩展性,使其能够作为一个平台应对未来汽车电子/电气架构的演变,以及这一变化所带来的电子控制单元(ECU)集成需求。

新款RH850/E2x 系列MCU的主要性能

• 超强处理性能,实现环保汽车所需的复杂车辆控制

为了研发环境友好的车辆和下一代节能型发动机,需要超强处理性能来支持新的燃油系统设计。此外,用于电动汽车和混合动力汽车的小型化高效发动机和变流器,卓越的处理性能和高集成度是必不可少的条件。最新发布的28nm工艺闪存MCU是全球第一款拥有高达6颗400MHz处理核心和9600MIPS指令速度的微控制器。相较于早期40nm的 MCU,新的RH850/E2x系列MCU能在同等功耗水平下可以实现3倍的处理性能。RH850/E2x系列内置的增强型传感器接口可为汽车控制系统的集成提供了更好的精准控制功能。针对于新款MCU,瑞萨电子的合作伙伴也将提供多核的虚拟环境和基于模型的开发环境。

• 用于网联汽车的大容量闪存支持先进的OTA软件更新

无线下载OTA功能的需求促使了内置闪存容量的不断增大。OTA功能可以自动通过无线网络更新车辆的电子控制单元(ECU)固件,改善和提高系统的安全性能。RH850/E2x系列集成16MB的闪存ROM,并支持根据用户需求而有选择的只更新闪存的特定区域。RH850/E2x增强了的串行通信接口的配置,支持多达10通道的CANFD接口和1通道的以太网接口。支持Evita Medium的硬件安保功能支持微控制器实现快速可靠地进行OTA软件更新。

• 用于自动驾驶汽车的增强型的功能安全性

为达到ISO26262 汽车电子/电气系统功能安全标准中的最高级别ASIL-D标准,RH850/E2x系列产品采用双核锁步架构,保证两颗处理内核的运算结果完全一致。RH850/E2x最高可提供4组互锁双核,并具备诸多硬件的功能安全性改进。在生命攸关的应用中,这些功能会在故障发生时立即检测到问题,并时刻维持系统的安全。瑞萨电子将提供安全分析工具来帮助实现各种适用于不同应用场景的安全系统。

继于2015年2月28nm嵌入式闪存的工艺开发公布后,瑞萨电子于2016年9月宣布与台积电合作生产28nm MCU。今日向市场推出全球第一款28nm嵌入式闪存MCU,将成为瑞萨电子的另一个重要里程碑。瑞萨电子已经验证了在16/14nm及下一代MCU产品上应用鳍状MONOS闪存技术。作为全球领先的汽车半导体解决方案供应商,瑞萨电子致力于用科技创新来推动行业发展并建设一个安全可靠的汽车社会。

为确保RH850/E2x系列的可扩展性,除28nm闪存MCU外,瑞萨电子还公布了两款40nm工艺的MCU,具备上述产品特性中的第(1)和(3)点。采用28nm工艺和40nm工艺生产的RH850/E2x系列MCU样片将于2018年3月开始供货。

RH850/E2x系列产品的详细参数请参阅附录。

(注1)当前性能与其他公司公开数据比较,数据来源于瑞萨研究部门。

(注2)MIPS指百万条指令每秒,是表示计算机处理性能的一种方式。

关于瑞萨电子的MONOS(金属氧化氮氧化硅)嵌入式闪存技术

MONOS是一种闪存晶体管的结构,每个晶体管由硅基底座和三层绝缘体氧化物-氮化物-氧化物构成,且上方设有金属控制门。瑞萨电子多年来为IC卡技术提供微控制器,从而在MONOS闪存技术的应用方面积累了20多年的经验。基于在MONOS技术上优异的成绩,瑞萨电子成功地开发出适用于MCU内部闪存的分离闸(Split-Gate, SG)结构。此项新型的“SG-MONOS”闪存能够实现微控制器高可靠性、高速、以及低能耗的功能。

围观 326

微控制器(MCU)在从电机控制,到信息娱乐系统和车身控制等越来越宽泛的汽车应用中提供至关重要的性能。随着价格的下降和整固的增加,微控制器正变得越来越普及,这意味着MCU被越来越多地视为商品。尽管存在这种商品化趋势,汽车系统设计工程师仍然认为不同的控制器会有很大的差异,包括各种级别的集成度和功率要求。选择MCU通常可以缩减材料成本(BOM),从而有效地降低电子控制单元(ECU)本身的价格。

选择汽车MCU时,设计工程师可以考虑以下10个重要因素,实现成本压力与应用所需的特定性能特色之间的平衡。

1.低压检测

MCU工作时的故障风险之一是在临界点时电源电压或MCU内部电压可能降至所需电平以下。显然,如果工作电压无法保证,而超出了推荐电源电压之外的话,这就会引发故障。

传统系统采用外部电压监测IC来检查电压。不过,这个功能可以通过一个既监测MCU内部电压,又监测外部电源电压电平的内部区块整合到MCU中。如图1所示,当电压降至预设的阈值以下时,MCU会自动重置。阈值电平可以从一组预先设定值(7个)中进行选择,富士通的最新MCU产品就是这样。这种方法可以从BOM中去掉外部元器件,从而降低成本。

图1:低压检测和自动重置

图1:低压检测和自动重置

2.看门狗计时器

要考虑的另一个重要功能是看门狗计时器(WDT),这种计时器有助于从“失控的微处理器”或“杂乱状况下的处理器”等故障情况中恢复。该模块一旦检测到MCU处于无响应状态就会重置MCU。过去,嵌入式系统采用外部IC来执行此功能,不过,可以在MCU中整合多个看门狗计时器。例如,一个计时器可以作为CPU操作系统时钟外部的独立时钟工作。此计时器将基于较慢的CR时钟,适合作为MCU的硬件看门狗使用,或者用于较长的软件循环从而防止出现失控状况。另一个计时器可以基于较快的外围时钟。理论上,当计时器可能由于某些错误状况而反馈过快时,看门狗计时器会支持窗口功能,此时也会重置MCU。

图2:内置看门狗计时器

图2:内置看门狗计时器

3.专用NV存储器

与看门狗计时器一样,EEPROM历来都是MCU的外部器件。不过,也有可能通过采用专用ROM将这类存储装置变成内部器件。提高稳定性和采用纠错机制可以进一步增强内置EEPROM。

将EEPROM整合到内部的高级方法是采用具有双重操作功能的闪存。闪存存储库的一部分可以进行读取,而另一部分库则可以进行编程,通过单个闪存模块来实现EEPROM。另一种方法是实现两个闪存模块,不过这种方法的开销会比双重操作闪存的开销大。比如,富士通MCU具有高达100,000擦除/编程周期的高可靠性EEPROM方案。这些MCU还支持ECC,可将数据保留长达20年之久。现在,用来将闪存控制为EEPROM功能的商用级软件已经开始供货。

4.汽车接地

由于电子控制单元定位方式的原因,汽车环境中的电气连接确实非常长。汽车系统包含许多ECU和汲取相对较大电流的其他装置。因此,除了ECU本身产生的寄生噪声之外,电气接地电平往往不理想,可能会在一定范围内漂移。

图3:漂移的汽车接地

图3:漂移的汽车接地

根据这样的接地情况进行MCU设计会提高鲁棒性和故障安全等级。高级MCU往往是根据汽车情况针对标准化VIL进行设计的。由于“浮地”有助于防止出错,从而提高了ECU品质。

5.Vbat电平直接输入

汽车系统中的某些ECU可以处理电池电平电压周围的I/O信号。对于基于CMOS设计的半导体,I/O信号是VCC电平的最大值,一般在3V至5V范围内。因此,需要转换器器进行电压电平转换。某些情况下,可以实现电压保护,从而允许高压信号通过限流电阻直接相连。富士通MCU的设计通过一个内部保护二极管和一个外部限流器来支持此功能。此方法可以减少PCB上所需的元器件数,从而进一步降低成本。

图4:直接输入Vbat电平信号

图4:直接输入Vbat电平信号

6.终端功能重定位

在对引脚数相当大的IC进行PCB布局时尽可能保持最小的层数往往很有挑战。PCB上的外围元器件无法总是根据MCU的引脚分布进行理想的定位。有时,如果MCU具有将其内部模块重定位至另外一组引脚的内置灵活性的话就会很有用。这可以通过软件设置来实现。这种能力可以提高PCB布局过程中的灵活性。

图5:IO终端重定位

图5:IO终端重定位

7.ADC辅助功能

模数转换器(ADC)一直以来都是嵌入式系统的一个基本功能块。ADC可将信号从模拟域转换至数字域,从而使得能够访问来自模拟域的信息。

可以根据具体的应用修改ADC功能块基于ADC功能块对MCU进行区分。这种增强可以区分整个MCU封装。比如,ADC模块可以在硬件中支持范围比较器和脉冲检测功能。这些功能对于仪表板中的步进电机控制等应用、电源监测和传感器应用非常有用。ADC可以处理来自步进电机线圈的输入信号,以执行零点检测(ZPD)。在硬件中完成处理任务时,CPU可以在其它地方使用其MIPS。

8.LIN硬件辅助功能

本地互连网络(LIN)是一种成本低廉的低速通信技术,该技术在车身应用中得到了广泛的应用。通过LIN总线可实现自动帧头的传输和检测、通信测试功能、变量中断长度生成、以及硬件中的校验和生成和验证等功能。因此,使用LIN总线有助于增强MCU性能。此方法用于其他地方时有助于节省CPU的MIPS。

9.ZPD增强

对于仪表板应用而言,ECU采用零点检测(ZPD)来确定指针何时到达终点以便停止步进电机。此功能要求步进电机控制器(SMC)读取和评估电机线圈中的电压信号(也称为“反电动势”),从而进行检测。增加硬件支持可以增强SMC,从而进行电压评估,这样,实现ZPD就无需任何外部元器件。此外,大多数反电动势评估也可以采用硬件机制来进行。(在这方面,上文中提到的ADC范围比较器和脉冲检测功能比较有用。)此外,此方法只需要最小的CPU使用率

10.位置和转数计

以硬件区块的形式提供四位置和转数计(QPRC)功能十分有利。这样,用户就可以在音频和导航应用中实现飞梭(jog-dial)功能。此模块可以控制旋转程度和方向,确定旋转速度。从理论上讲,这可以通过在MCU中采用标准输入捕获单元来实现。不过,实现专门用于这些任务的专用硬件模块可使CPU节约资源,从而实现系统内更好的任务分配和简化的软件包。

选择最佳供应商

选择汽车MCU时还要考虑一个关键因素:找一家历史悠久、市场份额较大的公司。还需要考虑供应商能否提供针对五花八门的汽车应用的各种MCU,包括车身、电源轨和车载信息系统。找一条包含基于经过业界验证、专有CPU和标准ARM架构的16位和32位MCU的汽车产品线。

总之,尽管汽车微控制器出现商品化发展趋势,MCU仍能提供能够提高系统性能,但不一定会增加成本的各种不同的特殊功能。细心选择汽车MCU可以大幅提高以高成本效益,实现最终产品差异化的潜力。选择一家信誉可靠、产品多样、具有强大支持的MCU供应商会让MCU设计过程变得更简单、更高效。

来源:网络

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