工控自動化應用方案：適用於自動駕駛 (ADAS) 平台的 ASIL-Ready 智能供電與監控解決方案

適用於自動駕駛 (ADAS) 平台的 ASIL-Ready 智能供電與監控解決方案

　　功能安全成為汽車行業關注焦點

　　近年來汽車行業在追求自動化、互聯化、電dian氣qi化hua和he服fu務wu化hua方fang麵mian取qu得de了le快kuai速su進jin步bu，而er支zhi撐cheng這zhe些xie領ling域yu各ge種zhong創chuang新xin的de重zhong中zhong之zhi重zhong，則ze是shi對dui功gong能neng安an全quan的de關guan注zhu。在zai最zui高gao等deng級ji的de安an全quan性xing變bian得de越yue來lai越yue重zhong要yao的de同tong時shi，安an全quan標biao準zhun也ye越yue來lai越yue嚴yan格ge、具體和新穎。對於此類“安全關鍵型(Functional Safety)”汽車應用，MPS推出了MPSafeTM 汽車級解決方案係列產品，為未來的汽車保駕護航。MPS開發的智能解決方案，可以提供 ASIL-D 監控器以防止意外情況，並能提供自動駕駛計算行業至關重要的安全檢測以及整套高效、快捷的解決方案。

　　MPSafe™ 應運而生

　　圖1：MPSafe™為未來汽車保駕護航

　　ISO26262認證的產品開發流程

　　在zai汽qi車che自zi動dong駕jia駛shi應ying用yong中zhong，駕jia駛shi員yuan或huo乘cheng客ke與yu電dian氣qi電dian子zi設she備bei之zhi間jian的de相xiang互hu作zuo用yong正zheng在zai顯xian著zhu增zeng加jia，其qi中zhong自zi動dong駕jia駛shi汽qi車che的de安an全quan關guan鍵jian決jue策ce變bian得de尤you其qi重zhong要yao，它ta對dui駕jia駛shi員yuan或huo乘cheng客ke的de安an全quan可ke能neng造zao成cheng的de潛qian在zai影ying響xiang不bu容rong忽hu視shi。隨sui著zhe這zhe些xie先xian進jin安an全quan技ji術shu的de操cao作zuo係xi統tong從cong被bei動dong轉zhuan向xiang更geng加jia主zhu動dong，汽qi車che的de安an全quan駕jia駛shi儼yan然ran成cheng為wei人ren們men關guan注zhu的de焦jiao點dian和he必bi須xu解jie決jue的de問wen題ti。同tong時shi，自zi動dong駕jia駛shi平ping台tai變bian得de越yue來lai越yue複fu雜za，出chu現xian了le越yue來lai越yue多duo的de係xi統tong性xing或huo隨sui機ji硬ying件jian故gu障zhang的de風feng險xian。為wei了le幫bang助zhu確que立li最zui高gao安an全quan性xing標biao準zhun，行xing業ye發fa布bu了le最zui新xin的de符fu合he國guo際ji標biao準zhun化hua組zu織zhi（ISO） 26262的汽車安全標準。

　　圖2：行業發布最新符合ISO26262 汽車安全標準

　　MPS利用自主開發的MPSafeTM 開發流程（已被權威認證機構TUV-SUD認證），提出並研發了一套完整的解決方案，以應對自動駕駛平台中的安全挑戰。該解決方案為自動駕駛平台提供了符合 ISO26262安規標準的供電與監控係統。

　　自動駕駛係統供電的安全要求從芯片定義之初，開發人員對係統乃至整車的係統安全需有深刻的理解。根據應用於自動駕駛平台的MPSafeTM 開發流程的要求，在各個芯片設計正式啟動之前，需要從自動駕駛平台在車上的功能安全出發，形成該芯片需要滿足的安全要求 (Safety Requirement)。隻zhi有you站zhan在zai係xi統tong功gong能neng安an全quan要yao求qiu的de高gao度du，了le解jie功gong能neng安an全quan要yao求qiu對dui於yu芯xin片pian規gui格ge的de製zhi定ding產chan生sheng的de影ying響xiang，才cai能neng避bi免mian最zui終zhong產chan品pin功gong能neng和he係xi統tong安an全quan要yao求qiu之zhi間jian存cun在zai的de偏pian差cha。根gen據ju芯xin片pian需xu要yao滿man足zu的de安an全quan要yao求qiu，MPSafeTM 開發流程的基本五個步驟包括：

　　1)芯片定義：包括芯片功能定義以及芯片安全功能定義。MPS架構團隊為該芯片打造所需的功能，同時與MPS安全團隊緊密合作，了解芯片功能安全對芯片功能的影響。安全團隊負責製定、審查並通過該芯片的安全計劃，發布屬於該芯片的應用假設，建立芯片開發安全檔案。

　　2)芯片設計：根據芯片需要滿足的係統安全要求，落實該芯片的規格和功能要求。安全團隊對該芯片進行定量安全分析（Quantitative Safety Analysis, FMEDA）以評估風險和確保滿足係統安全要求等級。芯片設計團隊需提供相關性失效分析(Dependent Failure Analysis)，進行芯片在IC功能以及安全機製的失效分析。通過仿真、封(feng)裝(zhuang)失(shi)效(xiao)分(fen)析(xi)和(he)質(zhi)量(liang)分(fen)析(xi)，推(tui)演(yan)和(he)驗(yan)證(zheng)不(bu)同(tong)失(shi)效(xiao)模(mo)式(shi)機(ji)製(zhi)，分(fen)析(xi)芯(xin)片(pian)的(de)安(an)全(quan)機(ji)製(zhi)是(shi)否(fou)符(fu)合(he)要(yao)求(qiu)。芯(xin)片(pian)設(she)計(ji)團(tuan)隊(dui)還(hai)需(xu)與(yu)芯(xin)片(pian)驗(yan)證(zheng)團(tuan)隊(dui)建(jian)立(li)完(wan)整(zheng)的(de)芯(xin)片(pian)驗(yan)證(zheng)方(fang)案(an)等(deng)等(deng)。

　　3)芯片樣品：負責為MPSafeTM 提供封裝的廠商應嚴格遵循MPSafeTM流程及要求生產樣品，以滿足汽車安規等級。整個芯片樣品生產的流程受到安全團隊的監管，以保證要求與實際生產不存在偏差。

　　4)芯片測試：芯片測試包括芯片電氣特性測試 (Electrical Characterization)、可靠性測試 (Reliability Test)，IC表征測試 (IC Characterization)，實驗台功能和電氣測試 (Road Test Functional and Electrical Verification)，以及使用自動測試設備進行的大規模測試 (ATE Test)等(deng)等(deng)。一(yi)旦(dan)這(zhe)些(xie)測(ce)試(shi)中(zhong)出(chu)現(xian)任(ren)何(he)失(shi)效(xiao)或(huo)問(wen)題(ti)，團(tuan)隊(dui)立(li)刻(ke)對(dui)失(shi)效(xiao)和(he)問(wen)題(ti)進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)並(bing)提(ti)出(chu)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，重(zhong)新(xin)生(sheng)產(chan)新(xin)的(de)芯(xin)片(pian)樣(yang)本(ben)以(yi)確(que)保(bao)徹(che)底(di)解(jie)決(jue)問(wen)題(ti)和(he)規(gui)避(bi)風(feng)險(xian)。

　　5)成品出貨：在以上所有四個步驟都正常進行的過程中，MPS安全團隊始終與第三方權威認證機構緊密合作，以確保MPSafeTM 開發流程和生產流程所有設計、測試、生產環節均滿足安全要求。所有的環節都會通過權威第三方認證，並發行符合認證的安全證書、手冊。完成所有安全應用分析以及認證之後，該芯片將在嚴格的MPS標準要求下完成所有出貨前測試並出貨。

　　廣闊的應用場景 — 從QM到ASIL-D

　　隨著電動汽車市場的不斷擴張，自動駕駛技術的飛速發展，現階段，基於MPSafeTM開發流程研發的芯片已經覆蓋多種自動駕駛應用場景。例如自動駕駛平台的汽車核心計算係統，雷達係統，攝像係統等等。基於MPSafeTM開kai發fa流liu程cheng提ti出chu的de智zhi能neng供gong電dian與yu監jian控kong解jie決jue方fang案an和he相xiang關guan芯xin片pian，力li求qiu幫bang助zhu客ke戶hu規gui避bi潛qian在zai風feng險xian，並bing通tong過guo高gao可ke靠kao性xing和he安an全quan性xing，控kong製zhi風feng險xian及ji故gu障zhang，實shi現xian了le從congQM到汽車最高安全等級ASIL-D級的規定，為自動駕駛平台高效安全供電及監控保駕護航。

　　圖3：汽車安全完整性等級 (ASIL)

　　根據應用場景的不同，MPS在保證產品功能的基礎上，提供給用戶不同安全等級的靈活選擇。如係統安全風險較低，用戶可選擇具備一定FIT (Failure in Time) 分析，符合AEC-Q100標準的芯片。如需保證係統安全等級較高，MPS可提供高達ASIL-D等級的帶有功能安全的係列芯片。功能安全是實現國際ISO26262定義的汽車安全完整性等級 (ASIL) 的基礎，如有需求，用戶可靈活選擇不同產品以配備到當前安全等級。與此同時，MPS積極提供涵蓋QM到ASIL等級芯片的相關安全手冊和技術支持，來幫助用戶放心選擇，靈活配置。

　　MPSafe™— 麵向係統的安全設計

　　直麵係統級設計痛點，聚力解決安全挑戰

　　隨著人們越來越依賴 ADAS 等自動駕駛技術，安全成為整個係統設計和開發過程中麵臨的最大挑戰和高度關注的問題之一。對於自動駕駛係統中的計算平台，為應對安全挑戰，規避潛在風險，自動駕駛計算平台應始終受到監管。穩定的供電電壓對於安全正常運行至關重要。電(dian)壓(ya)的(de)任(ren)何(he)動(dong)態(tai)變(bian)化(hua)或(huo)瞬(shun)態(tai)故(gu)障(zhang)都(dou)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)計(ji)算(suan)處(chu)理(li)器(qi)故(gu)障(zhang)。這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)對(dui)於(yu)自(zi)動(dong)駕(jia)駛(shi)供(gong)電(dian)係(xi)統(tong)來(lai)說(shuo)，需(xu)要(yao)具(ju)備(bei)提(ti)供(gong)穩(wen)定(ding)的(de)電(dian)壓(ya)的(de)能(neng)力(li)，同(tong)時(shi)也(ye)應(ying)具(ju)備(bei)自(zi)身(shen)與(yu)係(xi)統(tong)故(gu)障(zhang)監(jian)測(ce)、報告的能力，以保證係統的正常運行。目前，MPSafeTM開發的係列產品具備的內建自測試 (BIST) 、通過冗餘的參考電壓和時鍾進行自我監控等等，力求保證芯片本身的安全狀態。

　　1.內建自測試 (BIST)

　　BIST 等集成安全機製，可提供高診斷覆蓋率，以確保每個駕駛周期的可靠性。電壓監視器中有兩種形式的 BIST：

　　1)模擬電路自檢 (ABIST)： ABIST 通tong過guo向xiang診zhen斷duan電dian路lu注zhu入ru電dian流liu或huo電dian壓ya來lai執zhi行xing診zhen斷duan電dian路lu故gu障zhang。該gai功gong能neng驗yan證zheng診zhen斷duan電dian路lu是shi否fou可ke以yi在zai故gu障zhang和he非fei故gu障zhang條tiao件jian之zhi間jian切qie換huan，這zhe表biao明ming模mo擬ni安an全quan機ji製zhi運yun行xing正zheng常chang。在zai此ci過guo程cheng中zhong，將jiang檢jian查zha所suo有you與yu安an全quan相xiang關guan的de比bi較jiao器qi和he受shou監jian控kong的de參can考kao電dian壓ya。

　　2)邏輯電路自檢（LBIST）：LBIST允許硬件自行測試。LBIST 具有檢測內部邏輯電路錯誤的能力。

　　2.參考電壓監測

　　係統的參考電壓（Reference Voltage）對dui於yu芯xin片pian的de重zhong要yao性xing不bu言yan而er喻yu，它ta是shi芯xin片pian中zhong多duo個ge電dian路lu和he模mo塊kuai正zheng常chang工gong作zuo的de基ji礎chu。在zai芯xin片pian中zhong，多duo個ge模mo塊kuai需xu要yao使shi用yong參can考kao電dian壓ya作zuo為wei精jing確que電dian壓ya控kong製zhi的de基ji準zhun，例li如ru模mo擬ni數shu字zi轉zhuan換huan器qi（ADC）等。若參考電壓不穩定，會導致芯片工作不穩定、誤差增加及性能降低。因此，參考電壓的好壞對於芯片能否正常運行至關重要。MPSweibaozhengxinpiandecankaodianyadejingduhewendingxing，peiyoucankaodianyajiancejizhi，tongguoyinrurongyucankaodianya，duixitongcankaodianyajinxingjiandu。yidanfaxianxitongdianyapiaoyichaoguoyushefanwei，jiangladibingzhongduangaicuowu。

　　3.係統時鍾監測

　　係統的時鍾信號是IC中各個電路和模塊的同步信號，以保證各個電路和模塊在正確的時間按照正確的順序執行相應的操作，例如時鍾信號可以同步計數器、狀態機、數據采樣及數據通信等等。如果時鍾信號出現故障，會導致IC中的電路和模塊無法同步，甚至數據丟失、錯誤計數、狀態機無法成功跳轉、甚至係統崩潰等等問題。因此在IC設計過程中，時鍾信號的監控尤為重要。MPS通過引入一個參考時鍾，與係統時鍾互相監測，可以在係統時鍾漂移超過預設範圍時，拉低中斷芯片並報告該錯誤。

　　用於不同安全等級係統的可擴展、模塊化解決方案

　　MPSafeTM不bu僅jin考kao慮lv了le設she備bei本ben身shen如ru何he處chu理li各ge種zhong安an全quan案an例li，安an全quan目mu標biao，還hai可ke以yi通tong過guo芯xin片pian引yin腳jiao的de兼jian容rong性xing以yi及ji配pei套tao的de安an全quan文wen件jian，實shi現xian解jie決jue方fang案an的de可ke擴kuo展zhan和he模mo塊kuai化hua功gong能neng，以yi達da到dao可ke靠kao高gao效xiao快kuai捷jie的de目mu標biao。解jie決jue方fang案an的de可ke擴kuo展zhan性xing包bao括kuo滿man足zu不bu同tongASIL安全等級、功gong能neng需xu求qiu和he應ying用yong場chang景jing。模mo塊kuai化hua包bao括kuo針zhen對dui係xi統tong不bu同tong應ying用yong模mo塊kuai設she計ji要yao求qiu具ju有you針zhen對dui性xing且qie靈ling活huo性xing功gong能neng的de產chan品pin。可ke擴kuo展zhan性xing和he模mo塊kuai化hua解jie決jue方fang案an使shi得de用yong戶hu能neng夠gou根gen據ju自zi身shen的de需xu求qiu，借jie助zhu不bu同tong規gui格ge的de芯xin片pian，實shi現xian多duo樣yang化hua的de安an全quan架jia構gou。

　　現階段，基於MPSafeTM 開發流程已發行了多種涵蓋不同功能的明星產品。通過集成內建自測試 (BIST) 以及診斷和寫保護等複雜的功能安全特性，這些產品已經通過獨立認證機構的認證，支持具有高達 ASIL-D 的最高汽車安全完整性級別的應用，符合ISO26262標準。為實現不同安全等級係統的可擴展和模塊化的解決方案，目前一些基於MPSafeTM開發的適用於自動駕駛平台智能供電與監控的產品有：

　　1.自動駕駛SoC核心供電：MPQ2967+Intelli-PhaseTM DrMOS

　　隨sui著zhe自zi動dong駕jia駛shi功gong能neng的de不bu斷duan豐feng富fu和he完wan善shan，係xi統tong對dui於yu主zhu芯xin片pian的de算suan力li和he信xin息xi處chu理li能neng力li的de要yao求qiu不bu斷duan提ti高gao，以yi滿man足zu更geng豐feng富fu的de自zi動dong駕jia駛shi場chang景jing的de計ji算suan需xu求qiu。主zhu芯xin片pian算suan力li的de提ti高gao也ye意yi味wei著zhe更geng高gao的de功gong耗hao，係xi統tong對dui於yu核he心xin供gong電dian的de要yao求qiu也ye更geng高gao。MPQ2967 是一款用於汽車高級駕駛輔助係統 (ADAS) 和自動駕駛平台核心供電的功能安全數字化雙路多相控製器芯片，它可以與 MPS 的 Intelli-PhaseTM 產品配合使用，以更少的外部組件實現多相調壓器 (VR) 解決方案。MPQ2967 基於MPS獨特的數字多相非線性控製，能以最少的輸出電容為負載階躍提供快速瞬態響應。其集成的多次可編程 (MTP) 存儲器能夠存儲為不同設計和平台定製的個性化配置。

　　MPQ2967支持係統設計達到ASIL-D的功能安全等級，其集成了內建自測試、時鍾監測、寄存器監測、存儲器監測和糾正、ADC監測、狀態機自檢、I2C通信監測和內部電壓監測等豐富的功能安全保護，保證芯片的可靠高效運行。它還為多相調壓器提供了輸入電壓、輸出電壓、輸出電流和溫度的實時監控和報告功能。用戶可通過數字化接口靈活設置和監控設備的配置參數和故障參數。

　　圖4：MPQ2967+Intelli-PhaseTM DrMOS方案框圖

　　2.電源時序芯片：MPQ79700FS-AEC1

　　一些高性能 ADAS 上的SoC往往需要電源軌道為內部電路供電，如內核、內存和 I/O等等。這些電源軌道常常需要特定的上下電時序來實現安全的通電和斷電，如上下電順序發生錯亂，可能會導致意外電壓尖峰、係統無法正常開啟和關斷甚至燒毀等危險。因此，電源軌道正確有序的上下電對於保證係統的可靠開啟、運行和關斷有著極為重要的作用。

　　MPQ79700FS 是一款專為汽車高級駕駛輔助係統 (ADAS) 和自動駕駛平台設計的 12 通道功能安全電源時序芯片，可為需要多個電源軌道供電的SoC提供必要的上下電時序控製。該設備的可配置性和靈活性支持跨不同的設計應用。用戶可通過I2C對12個通道進行獨立配置每個通道的拉高拉低時序序列。同時，12個通道中的四個還可以被設置為GPIO，以滿足用戶的額外需求。MPQ79700FS電源時序芯片包含一個振蕩器，通過驅動芯片外部晶體震蕩以發出32.768 kHz的時鍾信號，以及一個具有報警功能的實時時鍾 (RTC)。該芯片還包含可通過 I2C 接口訪問的可配置看門狗，低電平有效的係統複位以及中斷輸出來保證故障監測和報告。

　圖5：MPQ79700FS-AEC1 原理框圖

　　3.電壓監控芯片MPQ79500FS-AEC1

　　MPQ79500FS-AEC1六通道電壓監控芯片是一款專為監控汽車安全應用係統級芯片 (SoC) 的產品。對於SoC來lai說shuo，超chao出chu範fan圍wei的de電dian源yuan電dian壓ya可ke能neng會hui導dao致zhi係xi統tong運yun行xing性xing能neng不bu佳jia甚shen至zhi係xi統tong故gu障zhang，因yin此ci電dian壓ya監jian控kong芯xin片pian在zai確que保bao受shou監jian控kong的de電dian源yuan電dian壓ya方fang麵mian發fa揮hui著zhe關guan鍵jian作zuo用yong。

　　MPQ79500FS-AEC1電壓監控芯片會在被監控電壓超過閾值時檢測過壓 (OV) ，或在電壓降至閾值以下時檢測欠壓 (UV) 。一旦發生過壓或者欠壓，電壓監控芯片會向安全微控製器單元 (Safety MCU) 報告故障，使MCU在故障發生後能夠及時做出判斷，保證係統的正常運行。MPS79500FS電壓監控芯片可以更智能高精度地監控六個通道的低頻 (LF) 電壓漂移和高頻 (HF) 電壓噪聲。

　　1)低頻電壓漂移：由高精度模數轉換器 (ADC) 轉換為數字信號。

　　2)高頻電壓噪聲：通過高精度比較器，監測電壓噪聲或尖峰。

　圖 6：發生 OVHF 和 OVLF 故障事件時的故障檢測

　　用戶可以通過 I2C 來訪問並配置OV 和 UV 監控閾值和受監控範圍。圖6顯示了MPQ79500FS 在發生 OVHF 和 OVLF 故障事件時的 OVHF、OVLF、UVHF 和 UVLF 監控以及故障報告和記錄。

　　MPQ79500FS具有多個嵌入式通道，為監控大量通道的應用提供了理想的解決方案。這(zhe)增(zeng)加(jia)了(le)用(yong)戶(hu)使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)集(ji)成(cheng)電(dian)壓(ya)監(jian)控(kong)芯(xin)片(pian)監(jian)控(kong)多(duo)軌(gui)電(dian)壓(ya)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)，在(zai)保(bao)證(zheng)了(le)被(bei)監(jian)控(kong)設(she)備(bei)的(de)安(an)全(quan)運(yun)行(xing)的(de)同(tong)時(shi)，為(wei)用(yong)戶(hu)節(jie)約(yue)了(le)係(xi)統(tong)空(kong)間(jian)和(he)降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)。用(yong)戶(hu)還(hai)可(ke)通(tong)過(guo)同(tong)步(bu)多(duo)個(ge)電(dian)壓(ya)監(jian)控(kong)芯(xin)片(pian)到(dao)同(tong)一(yi)時(shi)序(xu)中(zhong)來(lai)監(jian)控(kong)多(duo)個(ge)電(dian)壓(ya)監(jian)控(kong)芯(xin)片(pian)的(de)所(suo)有(you)電(dian)壓(ya)軌(gui)。對於 MPQ79500FS，此序列監控同步功能由 /SYNC 引腳啟用，所有電壓軌共享一個同步域。

　　高效、快捷、成本可控的安全解決方案

　　高級駕駛輔助係統（ADAS）yiqilianghaodejiashitiyanheanquanbaozhangyingdeledaliangxiaofeizhedeqinglai，chulejibendejiashixuqiu，xiaofeizheduigenganquangengzhinengdejiashiyoulegenggaodeqidai。zaixinxingdiandongqichechangshangdalituijin、傳統汽車廠商積極轉型的過程中，整個ADAS市場增長迅猛。原有的為高端市場服務的ADASjishudechangshang，weigenghaodeyingheshichangxuqiu，douzaijijixunqiuxiangzhongduanshenzhididuanshichangbuju。duiyuqichechangshangeryan，zhiyoujinkuaishixianliangchangenjinwangshengdexuqiucaiyoukenengzaijilieshichangjingzhengzhongyingdeyixizhidi。tongshi，shichangxuqiuyedadajiasuleADAS技術的係統迭代。如何利用每一次技術迭代，高效、快捷、成本可控地跟進市場需求，是每一個汽車廠商在這硝煙彌漫的市場競爭中取得成功的重中之重。

　　針對現如今電動汽車及自動駕駛激烈的飛速發展和激烈競爭， MPSliqiuweikehutigongyizhengtaowanzhengdexitonggongdianjijiankongjiejuefangandetongshi，congkehujiaoduchufa，yukehuyitonggaozhanyuanzhu，bangzhukehujiasukaifajincheng，kuaisufanyingshichang，genghaoshiyingxianjieduannaizhiweilairuogandaizidongjiashijishudegexin。

　　圖 7展示了一個位自動駕駛平台計算中心供電的頂層架構。該架構為符合 ASIL-D 標準的智能自動駕駛平台供電與監控平台。整個架構大體分為SoC供電模塊，攝像供電模塊兩部分。MPS提出的解決方案通過采用MPSafeTM開發流程，在保證功能安全的基礎上，同時能幫助用戶實現高效、快捷和成本可控。

　　圖8展示了由MPS開發的具有智能電壓監控功能的 MPSafeTM 電源子係統參考設計板。