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如何正确理解汽车电子设计之SBC篇

2020-01-08 高杨 阅读:
如何正确理解汽车电子设计之SBC篇
系统基础芯片(SBC,System Basis Chip),从广义上来说,是一种包含电源、通信、监控诊断、安全监控等特性以及GPIO的独立芯片。随着汽车电子模块的日益小型化,对低功耗和可靠性的要求

系统基础芯片(SBC,System Basis Chip),从广义上来说,是一种包含电源、通信、监控诊断、安全监控等特性以及GPIO的独立芯片。JEtednc

随着汽车电子模块的日益小型化,对低功耗和可靠性的要求越来越高。因此,SBC在汽车电子中的应用也越来越多。本文将对SBC的以下内容展开介绍:JEtednc

1. 什么是SBCJEtednc

2. 为什么使用SBCJEtednc

3. SBC应用在哪些地方JEtednc

4. SBC的主要特性JEtednc

图1:SBC的系统框图。JEtednc

1. 什么是SBC

本文的开始介绍了SBC广义上的意义。细致地来说,电源的构成可以是线性电源或者开关电源;通信包含CAN、CANFD以及LIN;监控诊断包括唤醒输入、看门狗、复位、中断,以及对电路诊断后的失效输出,还有功能安全的一些特性(见图1)。JEtednc

2. 为什么使用SBC

汽车电子硬件设计中,电源、通信,包括一些监控(例如看门狗/复位/定时器),都是通过多个电路来实现的。这不仅增加了电路设计的难度,也不利于在可靠性、系统成本、PCB空间以及电路功耗等方面做出优化提高。使用了SBC之后,由于SBC内部高度集成了一个基本硬件系统模块的基础电路功能模块(电源和通信),因此使得外部电路得以大大的简化。这也就体现了SBC这类器件的强大优势,因此有了广泛的使用。JEtednc

3. SBC应用在哪些地方

通过第2节的介绍可以看到,在动力系统、底盘和驾驶辅助、车身系统、舒适系统以及混合动力及电驱动系统中,几乎无处不见SBC,这也说明了这类器件强大的生命力和优势被广泛接纳的程度。JEtednc

4. SBC的主要特性

4.1 SBC的通用特性

一般来说,SBC通常都具备以下的一些通用特性:JEtednc

● 5V/3.3V的电源JEtednc

● 至少一路CAN(CAN FD)JEtednc

● 至少一路LINJEtednc

● 外部唤醒输入JEtednc

● 看门狗功能JEtednc

● 复位功能JEtednc

● 通信接口JEtednc

● 至少一路或多路的GPIO口来实现故障输出/唤醒/高边开关/低边开关JEtednc

● 带有唤醒功能的低功耗模式JEtednc

从以上的特性来看,所谓的SBC中的“系统”,必须包含电源和通信部分,这也体现了叫做系统基础芯片名称的由来。JEtednc

电源是系统的基础,因此SBC中必须首先包含电源。一般来说,SBC的电流输出能力都不是很大,主要是在100mA~150mA。这样的电流输出能力可以满足大多数汽车电子中的微控制器的电流需求,从而可以把原本需要的外部电源集成到SBC内部。其实电流输出能力也可以做得更大一些,但考虑到功耗以及散热问题,只要够用就可以了。也有采用DC/DC的SBC把输出电流做到了1.5A,用来给系统的主微控制器供电(例如NXP公司的MC34FS6408)。不过这类器件还是少数。通信部分也是SBC不可或缺的部分,带有CAN、CAN FD和LIN的接口也就成为了SBC的标配。注意:有些半导体公司的产品中会有多路CAN的SBC,同时也带有LIN,这些都是为了适应不同的系统需求开发出来的芯片。因为这些SBC中都包含有CAN,所以就用包含LIN的数量来进行简单归纳(见图2)。由于系统需要在待机的状况下被唤醒,所以还需要有外部唤醒输入,这样可以让模块在待机下降低功耗和静态电流。此外,SBC还有一些和安全有关的功能,例如看门狗和复位功能,都是可以由通信(一般是SPI)来进行配置和管理的,从而满足安全的设计要求。JEtednc

图2:SBC芯片的简单归纳。JEtednc

4.2 SBC的一些特殊功能

除了第4.1节介绍的一些通用特性之外,一些SBC还具备特殊功能,例如电源管理和功能安全功能(例如NXP公司的UJA1061TW)。JEtednc

4.2.1 电源管理

电源管理在汽车电子设计中也是比较复杂的部分,因为要考虑到多个子电路之间的状态以及通信,还有如何控制不同子电路的供电。有了SBC后就可以比较简单地处理这些难题,甚至可以用软件来实现之前由硬件来完成的一些任务(例如定时器、周期性的唤醒芯片)。JEtednc

电源管理功能主要包括:JEtednc

● 智能的运行模式和电源管理模式JEtednc

● 在待机和睡眠模式下周期性唤醒的能力JEtednc

● 具有周期性供电功能的本地唤醒输入JEtednc

● 通过总线远程唤醒的能力JEtednc

● 外部电源可以很容易地集成在电源系统中JEtednc

● 通过高边开关驱动外部负载(例如继电器和唤醒开关)JEtednc

● 智能屏蔽中断输出JEtednc

4.2.2 功能安全功能

功能安全功能是汽车电子对安全的日益增加而产生的,最早应用在工业和航天领域。以下是功能安全功能的特性列表:JEtednc

● 可预测在所有条件下的安全机制JEtednc

● 可编程故障安全代码窗口和带片上振荡器的超时看门狗,确保失效故障的自动系统监控JEtednc

● 16位SPI接口微控制器的故障安全代码JEtednc

● 用于控制安全关键硬件的全局使能引脚JEtednc

● 失效检测和详细报告JEtednc

● 片上振荡器的故障警报和看门狗警报JEtednc

● 基于诊断的严格错误处理JEtednc

● 23位可访问和保护的RAM,例如用于记录周期性问题JEtednc

● 在单个SPI帧中报告消息,不需要用多个SPI帧报告消息JEtednc

● 跛行回家输出信号,用于在系统进入故障保护模式时激活硬件(例如打开警告灯)JEtednc

● 在软件开发模式和闪存模式下的失效安全代码激活JEtednc

● 唯一的SPI可读设备类型标识JEtednc

● 软件启动系统重启JEtednc

从以上的列表中可以体会到在需要使用SBC的系统设计中,电源管理和功能安全使得SBC的优势发挥得淋漓尽致。这是因为在片上集成系统的时候,每个芯片都可以在开发的初期就考虑得非常细致和完整,从而不需要后期用分立的器件以及软件代码来实现这些复杂的系统设计,包括功能安全和电源管理等。因此,这类包含“特殊”功能的SBC发展成为独立的一类,叫做功能安全SBC(Functional Safety SBC)。JEtednc

综上所述,除了我们介绍的这些SBC,还有一些它衍生出来的家族成员,例如迷你SBC(Mini System Basis Chip)、LIN迷你SBC(LIN Mini System Basis Chip),以及第4.2节介绍的功能安全SBC等。这些家族成员使得SBC成为一类具备强大生命力的器件。JEtednc

本文为《电子技术设计》2020年1月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里JEtednc

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高杨
近20年在汽车电子TOP10公司经验,特别是在车载控制器领域(多媒体、车身、驾驶辅助及VCU)。曾任职博世汽车专家级工程师,超过10年在汽车零部件(博世和大陆汽车),5+年汽车半导体(德州仪器和英飞凌),历任多种资深(系统、设计、产品)工程师职务。丰富的平台开发(从0到1)及产品开发的工程经验和技术积累。 Ford SYNC第一代的核心硬件工程师,定义和开发了德州仪器(TI)第一款智能高边驱动器(TPS1H100-Q1),填补了公司在汽车电子市场的技术路线和市场空白。 整理和标准化了与设计开发的技术文件,可以直接用于指导设计及融入公司的文件体系中,满足体系审查要求和提高公司的设计流程和管理水平。硬件设计流程管理的模板(45+篇),硬件设计评审和检查清单模板(50+篇)。 企业内训师认证(TTT) ,超过2500页汽车电子设计培训内容PPT,满足从入门、中级及高级汽车电子设计的培训要求,目前在4家企业内部实施过培训,收到了很好的反馈。 目前获得13件汽车电子专利(截止2019年12月)。《EDN电子技术设计》汽车电子专栏作者ednchina.com/author/gaoyang
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