功能安全與 ISO 26262

任何具影響力的技術(shù)都會產(chǎn)生一系列風(fēng)險，在汽車安全相關(guān)系統(tǒng)中可能格外嚴重。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 26262 系列標(biāo)準(zhǔn)「道路車輛 – 功能安全」的目的，在於透過提供汽車電氣和電子系統(tǒng)的功能安全準(zhǔn)則和要求，進而降低道路車輛的風(fēng)險。ISO 26262 公布內(nèi)容包含 12 個部份，並於 2018 年更新，以因應(yīng)不斷演進的汽車技術(shù)，而此標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在也包含對半導(dǎo)體的特定需求。ISO 26262 詳細說明以風(fēng)險為基礎(chǔ)的汽車專屬方法，以判斷風(fēng)險等級，即汽車安全完整性等級 (ASIL)，其建立方式是根據(jù)三個變數(shù)對潛在危害進行風(fēng)險分析，前述變數(shù)為：嚴重性、曝露機率和駕駛可控度。

汽車製造商在開發(fā)功能安全合規(guī)平臺時，需要因應(yīng)各種 ASIL 系統(tǒng)層級等級。舉例來說，環(huán)景系統(tǒng)、駕駛監(jiān)控，以及先進駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 的雷達和光達系統(tǒng)，需要 ASIL D 的系統(tǒng)層級等級。而數(shù)位駕駛艙和資訊娛樂系統(tǒng)等終端設(shè)備，則只需要 ASIL B 等級。這類安全關(guān)鍵系統(tǒng)的首要主題，是需要從汽車電池來源可靠地為高電流系統(tǒng)單晶片 (SoC) 和多核心處理器負載供電。

具備外部電壓監(jiān)控功能安全合規(guī)設(shè)計

同步降壓控制器積體電路 (IC) 可在具備 12V、24V 和 48V 電池輸入的汽車設(shè)計中實現(xiàn) DC/DC 轉(zhuǎn)換，以滿足高電流處理器負載的需求，其電流規(guī)格通常超過 100A。圖 1 顯示雙輸出配置，其在每個輸出上整合了電壓監(jiān)控 IC，以讓系統(tǒng)達到 ASIL D 功能安全合規(guī)性。

圖 1 中的 Q₃ 和 Q₆ 標(biāo)示了在輸出故障情況下開啟的輸出斷開開關(guān)。如 圖 1 所示的傳統(tǒng)雙輸出降壓控制器會使用電源良好 (PG1/2) 接腳，將初階診斷資訊回系統(tǒng)微控制器 (MCU)。

具備同步降壓控制器的功能安全合規(guī)設(shè)計

80V LM5137F-Q1 雙通道 DC/DC 降壓控制器包含所有必要功能，可針對高功率 SoC 核心與 I/O 軌實作高效率同步降壓穩(wěn)壓器。此裝置是透過具有三種功能安全類別的控制器系列提供：TI 功能安全能力、ASIL B 或 ASIL D，後兩個選項在裝置零件編號中會標(biāo)示「F」後綴。

此系列也具備電壓擴充性，可支援 12V、24V 及 48V 電池輸入，且切換頻率範(fàn)圍為 100kHz 至 2.2MHz。整合式電荷泵閘極驅(qū)動器可提供 100% 占空比能力和真正的直通模式運作。LM5137F-Q1 也具備超低靜態(tài)電流，可延長電池續(xù)航力和提高輕載效率，並具備雙隨機展頻 (DRSS)，以成功因應(yīng)各種頻率中的電磁干擾 (EMI) 問題。

圖 2 顯示在使用 LM5137F-Q1 降壓控制器的 ASIL D 系統(tǒng)中，前置穩(wěn)壓器設(shè)計的完整電路圖。此設(shè)計具有基本上與 圖 1 相同的運作規(guī)格和功率級元件，但不需要外部電壓監(jiān)控 IC。若要增加彈性，您可將降壓控制器配置為具有兩個交錯相位的單輸出實作 (或堆疊至四個相位，以因應(yīng)特別嚴苛的高電流負載)。

LM5137F-Q1 整合安全機制，有助於達到 ISO 26262 系統(tǒng)功能和最高 ASIL D 的硬體完整性功能安全要求。此類安全機制包含類比內(nèi)建自我測試 (ABIST)，可在允許啟動輸出前驗證 LM5137F-Q1 控制器和周遭周圍元件的健康狀態(tài)。此裝置也具備冗餘輸出電壓監(jiān)控，可免除外部電路並節(jié)省硬體成本、尺寸，以及降低複雜性。其他安全機制包括進階故障報告、過電流監(jiān)控與報告、輸出欠電壓與過電壓保護，以及冗餘過熱自動關(guān)機。

正如 圖 2 所示，功能安全降壓控制器的系統(tǒng)和電路層級優(yōu)勢包括：

• 整合式診斷，包括啟動前的 ABIST 和正常運作期間的各通道電流監(jiān)控。
• 整合式冗餘功能，包括進階故障識別與容錯，以降低基於失效率 (FIT) 的故障率。
• 免除對補充電壓和電流監(jiān)控 IC 的需求，進而減少元件數(shù)量並節(jié)省空間。

具備同步降壓控制器的功能安全合規(guī)設(shè)計

搭載整合式開關(guān)的降壓轉(zhuǎn)換器可提供電壓及電流擴充性，是適用於預(yù)先穩(wěn)壓級的另一個選項。舉例來說，65V、8A LM68680-Q1 與 65V、4.5A LM68645-Q1 降壓轉(zhuǎn)換器系列可維持輸入暫態(tài)為 70V，同時滿足必須至少達到 ASIL C 之系統(tǒng)的要求。這些轉(zhuǎn)換器可擴充至 12V、24V 和 48V 輸入，並可提供類似上述 LM5137F-Q1 控制器的功能安全功能。

圖 3 是使用 LM68680-Q1 和 LM68645-Q1 做為前置穩(wěn)壓器，饋送 30A TPS62883-Q1 和 20A TPS62881-Q1 堆疊式雙相位負載點 (PoL) 降壓轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)原理圖。透過輸出電壓的差動遠端感測和超快速負載暫態(tài)響應(yīng)，這些 PoL 可為 ADAS 網(wǎng)域控制器應(yīng)用中使用的 Jacinto? TDA4VH-Q1 汽車 SoC 提供嚴格的電壓穩(wěn)壓。

不論所選架構(gòu)是以控制器或轉(zhuǎn)換器選項為各種 SoC 電壓軌供電，TI 都能提供業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)報告及其他資源，包括 IC 層級文件在內(nèi)，例如功能安全 FIT 率和故障模式影響與診斷分析 (FMEDA)，以協(xié)助簡化功能安全系統(tǒng)層級認證。

結(jié)論

隨著汽車電力電子朝向更高密度、更小封裝、更佳性能與更低成本的功能安全合規(guī)設(shè)計邁進，我們必須重新思考降壓前置穩(wěn)壓器功率級的控制器和轉(zhuǎn)換器選擇。在此背景下，設(shè)計需要高密度降壓前置穩(wěn)壓器的系統(tǒng)時，所面臨的主要挑戰(zhàn)之一就是需實現(xiàn)最高達 ASIL D 的功能安全合規(guī)性。

相對於需要補充監(jiān)視和監(jiān)控元件來達成功能安全合規(guī)性的傳統(tǒng)控制器設(shè)計，LM5137F-Q1 等降壓控制器可提供多項固有優(yōu)勢。此外，TI 功能安全合規(guī) 65V 額定降壓轉(zhuǎn)換器也可為低功率設(shè)計提供替代方案。

其他資源

• 詳閱 TI 的功能安全登陸頁面。
• 下載 LM5137F-Q1 降壓控制器以及 LM68645-Q1 和 TPS62883-Q1 降壓轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品規(guī)格表。
• 檢視 LM25137F-Q1-EVM5D3 評估模組使用指南。
• 閱讀技術(shù)文章「以 TI 功能安全合規(guī)降壓穩(wěn)壓器為新一代 ADAS 處理器供電」。
• 參閱白皮書「簡化汽車及工業(yè)的功能安全認證」。

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