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）。
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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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
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。
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。
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。
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。
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。
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
