今天的汽車是車輪上的計(jì)算機(jī)，多個(gè)系統(tǒng)不斷相互通信，以提供智能，使駕駛員和乘客在將駕駛員和乘客從A點(diǎn)帶到B點(diǎn)時(shí)保持安全，舒適和娛樂。雖然我們還沒有準(zhǔn)備好完全歡迎道路上的全自動(dòng)駕駛汽車，但我們正在體驗(yàn)2級(jí)和3級(jí)自動(dòng)駕駛技術(shù)的好處，這些技術(shù)提供了部分到有條件的轉(zhuǎn)向，加速和制動(dòng)自動(dòng)化。反過來，這些技術(shù)又推動(dòng)了對(duì)車內(nèi)半導(dǎo)體內(nèi)容的需求。本文將探討為什么從性能和安全角度出發(fā)，從頭開始設(shè)計(jì)汽車IC比重新利用最初設(shè)計(jì)用于其他用途的芯片更好。

介紹

通過觸摸屏幕或通過語音命令，您可以控制現(xiàn)代汽車中的許多電子功能：例如GPS，加熱和冷卻以及娛樂系統(tǒng)。汽車本身擁有自己做更多事情的智能，從自動(dòng)打開遠(yuǎn)光燈到自動(dòng)停車，檢測(cè)盲點(diǎn)，以及先發(fā)制人的制動(dòng)以避免碰撞。使所有這些功能成為可能的是內(nèi)部的數(shù)百個(gè)微控制器單元、傳感器和模擬 IC。

根據(jù)美國國際貿(mào)易委員會(huì)（USITC）的數(shù)據(jù)，雖然傳統(tǒng)汽車含有價(jià)值330美元的半導(dǎo)體含量，但平均而言，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車可以擁有價(jià)值高達(dá)1，000美元的半導(dǎo)體，并擁有多達(dá)3，500個(gè)零件。1畢馬威（KPMG）的分析師指出，在電氣化、自主性、連接性和移動(dòng)即服務(wù)等趨勢(shì)的推動(dòng)下，汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)有可能從40年的2019億美元增長到200年的2040億美元?；旌蟿?dòng)力和電動(dòng)汽車的半導(dǎo)體含量已經(jīng)是內(nèi)燃機(jī)汽車的兩倍。采用LiDAR傳感器、5G通信和圖像識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全自動(dòng)駕駛汽車預(yù)計(jì)將包含8倍至10倍于非自動(dòng)駕駛汽車的半導(dǎo)體含量。2

在本文中，我們將討論汽車對(duì)半導(dǎo)體的獨(dú)特要求，這些半導(dǎo)體使其許多功能栩栩如生。我們還將重點(diǎn)介紹為什么專為汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的IC（而不是從其他用例中重新利用的設(shè)備）對(duì)于這些車輛的安全性和可靠性運(yùn)行至關(guān)重要。

每一代汽車都變得越來越智能

窺視典型的現(xiàn)代車輛內(nèi)部，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)以下IC：

高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) （ADAS） 應(yīng)用。ADAS應(yīng)用提供汽車功能，如停車輔助、車道定位和防撞。其中許多系統(tǒng)使用攝像頭、雷達(dá)、聲納和 LiDAR 監(jiān)控，甚至視頻處理算法和多個(gè)攝像機(jī)來提供警告和警報(bào)。

電源管理。DC-DC 轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器等設(shè)備在負(fù)載點(diǎn)管理分布在整個(gè)車輛中的控制模塊、傳感器和執(zhí)行器的電源。

電動(dòng)汽車 （EV） 動(dòng)力總成。使用大型鋰離子電池組進(jìn)行儲(chǔ)能的全電動(dòng)以及混合動(dòng)力和插電式混合動(dòng)力汽車的安全可靠運(yùn)行需要強(qiáng)大的電池管理IC來報(bào)告狀態(tài)、控制充電和平衡電池。

信息娛樂應(yīng)用程序。這些應(yīng)用程序提供導(dǎo)航、與消費(fèi)者手機(jī)的應(yīng)用程序鏈接、車輛性能消息、有關(guān)周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)以及音頻和視頻播放。這些功能需要各種模擬IC，包括：電源管理IC、USB保護(hù)、顯示電源IC、低噪聲放大器、RF調(diào)諧器和接收器、高速串行鏈路和傳感器。

LED照明應(yīng)用。LED驅(qū)動(dòng)器和控制器為這些車輛外部和內(nèi)部應(yīng)用提供可靠的電源。

車身電子。這些設(shè)計(jì)包括提供控制功能、實(shí)現(xiàn)診斷和安全功能以及管理電源的系統(tǒng)。電源開關(guān)和監(jiān)控電路、傳感器、傳感器接口和通信IC都是這些應(yīng)用不可或缺的一部分。

連接性。物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)進(jìn)入汽車應(yīng)用，車對(duì)車（V2V）通信和車對(duì)一切（V2X）等功能可以使我們的駕駛員更安全，交通流量更有效率。

安全性。在車內(nèi)安裝原裝零件可以保證安全，保護(hù)從車輛到云的數(shù)據(jù)通信也是如此。安全認(rèn)證器有助于確保汽車組件的真實(shí)性、安全性和可靠性。

汽車環(huán)境對(duì)這些半導(dǎo)體提出了一些獨(dú)特的要求。汽車的使用壽命很長——平均在路上行駛 11.6 年——并在極端溫度范圍內(nèi)（-40°F 至 300°F）運(yùn)行。因此，與消費(fèi)類應(yīng)用的汽車半導(dǎo)體不同，汽車半導(dǎo)體必須在這些條件下保持高質(zhì)量及其功能。事實(shí)上，考慮到安全因素，汽車原始設(shè)備制造商預(yù)計(jì)他們的半導(dǎo)體在 15 年內(nèi)的故障率為十億分之零，更換零件的供應(yīng)長達(dá) 30 年。3

事實(shí)上，某些汽車應(yīng)用（如ADAS和顯示器）的本質(zhì)已經(jīng)成為車輛安全不可或缺的一部分，因此這些系統(tǒng)現(xiàn)在必須滿足汽車功能安全要求。ISO 26262為汽車電子/電氣系統(tǒng)的功能安全提供了國際標(biāo)準(zhǔn)。ISO 26262的一個(gè)重要組成部分是汽車安全完整性等級(jí)（ASIL），它對(duì)汽車系統(tǒng)中的固有安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分類。有四個(gè)ASIL級(jí)別，每個(gè)級(jí)別由以下因素決定：嚴(yán)重程度（傷害），暴露（概率）和可控性。ADAS應(yīng)用通常必須滿足ASIL D（最高級(jí)別），而顯示器應(yīng)符合ASIL B。

盡管有所有這些要求和要求，一些半導(dǎo)體供應(yīng)商只是簡單地重新配置了他們的IC，這些IC最初是為其他目的設(shè)計(jì)的，用于汽車應(yīng)用。由此產(chǎn)生的IC可能會(huì)在性能和質(zhì)量方面做出權(quán)衡?？紤]到汽車IC提供的基本功能，這不是一個(gè)值得冒險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。

幫助您設(shè)計(jì)更安全、更智能的汽車的歷史

ADI公司在從頭開始設(shè)計(jì)汽車IC以用于車輛設(shè)計(jì)方面有著悠久的歷史。早期，我們有利用為另一個(gè)終端應(yīng)用設(shè)計(jì)的模塊來創(chuàng)建汽車IC的經(jīng)驗(yàn)，但很快意識(shí)到這種方法并不是最佳的。例如，讓我們考慮一下，如果供應(yīng)商想要將最初為消費(fèi)類應(yīng)用設(shè)計(jì)的芯片重新定位為汽車應(yīng)用，會(huì)發(fā)生什么情況。它的功能要求很穩(wěn)定，因此芯片設(shè)計(jì)人員繼續(xù)調(diào)整各種參數(shù)。但接下來是溫度規(guī)格。用于消費(fèi)類設(shè)備的芯片需要符合0°C至70°C的范圍，而汽車IC必須能夠在更高的溫度（高達(dá)300°F）下可靠運(yùn)行。顯然，該芯片無法成功表征具有嚴(yán)格六西格瑪EC表限制的汽車環(huán)境。ADI公司很早就認(rèn)識(shí)到，最好專注于了解客戶在系統(tǒng)層面面臨的特定問題，然后設(shè)計(jì)汽車解決方案來應(yīng)對(duì)這些特定挑戰(zhàn)。

我們的工藝流程旨在推動(dòng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)零缺陷。我們提供數(shù)百種符合 AEC-Q100 的產(chǎn)品。（“汽車電子委員會(huì)基于失效機(jī)制的集成電路壓力測(cè)試資格認(rèn)證”。我們還滿足國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 （ISO） 為汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)和生產(chǎn)定義的質(zhì)量管理體系要求。

我們對(duì)汽車芯片設(shè)計(jì)流程應(yīng)用了一定程度的嚴(yán)謹(jǐn)性，該流程是獨(dú)一無二的，并且面向性能和質(zhì)量。例如，我們擁有自己特定的數(shù)字汽車庫、獨(dú)特的汽車設(shè)計(jì)規(guī)則、獨(dú)特的金屬布線和焊盤設(shè)計(jì)方法，以及采用冗余設(shè)計(jì)的金屬互連。我們?cè)O(shè)計(jì)的汽車 IC 可在存在輻射和電噪聲的情況下提供魯棒性。我們?cè)谒璧男阅芘c目標(biāo)應(yīng)用的獨(dú)特規(guī)格之間取得平衡，無論它涉及效率、排放、抗擾度還是其他因素。由于我們從一開始就專注于輻射環(huán)境中的魯棒性，因此將我們的汽車IC從最初為任何其他目的創(chuàng)建的芯片中重新定位是不切實(shí)際的。ADI公司即使采用源自其他應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)也遵循這種方法。例如，盡管USB充電、顯示器、語音和手勢(shì)控制以及GPS等功能起源于其他類型的設(shè)計(jì)，但ADI公司仍然為汽車應(yīng)用從頭開始設(shè)計(jì)這些功能的芯片。

總結(jié)

鑒于對(duì)汽車的獨(dú)特要求及其惡劣的工作環(huán)境，汽車IC必須從頭開始設(shè)計(jì)，以滿足汽車應(yīng)用的嚴(yán)格和獨(dú)特要求。雖然重新利用最初為另一個(gè)終端市場(chǎng)設(shè)計(jì)的芯片可能會(huì)加快上市時(shí)間，但它會(huì)帶來權(quán)衡，最終會(huì)阻礙車輛的性能和安全性。對(duì)于ADI公司來說，當(dāng)我們致力于幫助您設(shè)計(jì)更安全、更智能的汽車時(shí)，這不是值得做出的權(quán)衡。

審核編輯：郭婷