功能安全成為汽車行業(yè)關注焦點

近年來汽車行業(yè)在追求自動化、互聯(lián)化、電氣化和服務化方面取得了快速進步，而支撐這些領域各種創(chuàng)新的重中之重，則是對功能安全的關注。在最高等級的安全性變得越來越重要的同時，安全標準也越來越嚴格、具體和新穎。對于此類“安全關鍵型(Functional Safety)”汽車應用，MPS推出了MPSafe^TM 汽車級解決方案系列產(chǎn)品，為未來的汽車保駕護航。MPS開發(fā)的智能解決方案，可以提供 ASIL-D 監(jiān)控器以防止意外情況，并能提供自動駕駛計算行業(yè)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(chǎn)品開發(fā)流程

在汽車自動駕駛應用中，駕駛員或乘客與電氣電子設備之間的相互作用正在顯著增加，其中自動駕駛汽車的安全關鍵決策變得尤其重要，它對駕駛員或乘客的安全可能造成的潛在影響不容忽視。隨著這些先進安全技術的操作系統(tǒng)從被動轉向更加主動，汽車的安全駕駛儼然成為人們關注的焦點和必須解決的問題。同時，自動駕駛平臺變得越來越復雜，出現(xiàn)了越來越多的系統(tǒng)性或隨機硬件故障的風險。為了幫助確立最高安全性標準，行業(yè)發(fā)布了最新的符合國際標準化組織（ISO） 26262的汽車安全標準。

圖2：行業(yè)發(fā)布最新符合ISO26262 汽車安全標準

MPS利用自主開發(fā)的MPSafe^TM 開發(fā)流程（已被權威認證機構TUV-SUD認證），提出并研發(fā)了一套完整的解決方案，以應對自動駕駛平臺中的安全挑戰(zhàn)。該解決方案為自動駕駛平臺提供了符合 ISO26262安規(guī)標準的供電與監(jiān)控系統(tǒng)。

自動駕駛系統(tǒng)供電的安全要求從芯片定義之初，開發(fā)人員對系統(tǒng)乃至整車的系統(tǒng)安全需有深刻的理解。根據(jù)應用于自動駕駛平臺的MPSafe^TM 開發(fā)流程的要求，在各個芯片設計正式啟動之前，需要從自動駕駛平臺在車上的功能安全出發(fā)，形成該芯片需要滿足的安全要求 (Safety Requirement)。只有站在系統(tǒng)功能安全要求的高度，了解功能安全要求對于芯片規(guī)格的制定產(chǎn)生的影響，才能避免最終產(chǎn)品功能和系統(tǒng)安全要求之間存在的偏差。根據(jù)芯片需要滿足的安全要求，MPSafe^TM 開發(fā)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。安全團隊負責制定、審查并通過該芯片的安全計劃，發(fā)布屬于該芯片的應用假設，建立芯片開發(fā)安全檔案。

2)     芯片設計：根據(jù)芯片需要滿足的系統(tǒng)安全要求，落實該芯片的規(guī)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系統(tǒng)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功能以及安全機制的失效分析。通過仿真、封裝失效分析和質量分析，推演和驗證不同失效模式機制，分析芯片的安全機制是否符合要求。芯片設計團隊還需與芯片驗證團隊建立完整的芯片驗證方案等等。

3)     芯片樣品：負責為MPSafe^TM 提供封裝的廠商應嚴格遵循MPSafe^TM流程及要求生產(chǎn)樣品，以滿足汽車安規(guī)等級。整個芯片樣品生產(chǎn)的流程受到安全團隊的監(jiān)管，以保證要求與實際生產(chǎn)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)，實驗臺功能和電氣測試 (Road Test Functional and Electrical Verification)，以及使用自動測試設備進行的大規(guī)模測試 (ATE Test)等等。一旦這些測試中出現(xiàn)任何失效或問題，團隊立刻對失效和問題進行分析并提出解決方案，重新生產(chǎn)新的芯片樣本以確保徹底解決問題和規(guī)避風險。

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MPSafe^TM 開發(fā)流程和生產(chǎn)流程所有設計、測試、生產(chǎn)環(huán)節(jié)均滿足安全要求。所有的環(huán)節(jié)都會通過權威第三方認證，并發(fā)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后，該芯片將在嚴格的MPS標準要求下完成所有出貨前測試并出貨。

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(fā)展，現(xiàn)階段，基于MPSafe^TM開發(fā)流程研發(fā)的芯片已經(jīng)覆蓋多種自動駕駛應用場景。例如自動駕駛平臺的汽車核心計算系統(tǒng)，雷達系統(tǒng)，攝像系統(tǒng)等等。基于MPSafe^TM開發(fā)流程提出的智能供電與監(jiān)控解決方案和相關芯片，力求幫助客戶規(guī)避潛在風險，并通過高可靠性和安全性，控制風險及故障，實現(xiàn)了從QM到汽車最高安全等級ASIL-D級的規(guī)定，為自動駕駛平臺高效安全供電及監(jiān)控保駕護航。

圖3：汽車安全完整性等級 (ASIL)

根據(jù)應用場景的不同，MPS在保證產(chǎn)品功能的基礎上，提供給用戶不同安全等級的靈活選擇。如系統(tǒng)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。如需保證系統(tǒng)安全等級較高，MPS可提供高達ASIL-D等級的帶有功能安全的系列芯片。功能安全是實現(xiàn)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(chǎn)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?— 面向系統(tǒng)的安全設計

直面系統(tǒng)級設計痛點，聚力解決安全挑戰(zhàn)

隨著人們越來越依賴 ADAS 等自動駕駛技術，安全成為整個系統(tǒng)設計和開發(fā)過程中面臨的最大挑戰(zhàn)和高度關注的問題之一。 對于自動駕駛系統(tǒng)中的計算平臺， 為應對安全挑戰(zhàn)，規(guī)避潛在風險，自動駕駛計算平臺應始終受到監(jiān)管。穩(wěn)定的供電電壓對于安全正常運行至關重要。 電壓的任何動態(tài)變化或瞬態(tài)故障都可能導致計算處理器故障。這意味著對于自動駕駛供電系統(tǒng)來說，需要具備提供穩(wěn)定的電壓的能力，同時也應具備自身與系統(tǒng)故障監(jiān)測、報告的能力，以保證系統(tǒng)的正常運行。目前，MPSafe^TM開發(fā)的系列產(chǎn)品具備的內建自測試 (BIST) 、通過冗余的參考電壓和時鐘進行自我監(jiān)控等等，力求保證芯片本身的安全狀態(tài)。

1.    內建自測試 (BIST)

BIST 等集成安全機制，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(jiān)視器中有兩種形式的 BIST：

1) 模擬電路自檢 (ABIST)： ABIST 通過向診斷電路注入電流或電壓來執(zhí)行診斷電路故障。該功能驗證診斷電路是否可以在故障和非故障條件之間切換，這表明模擬安全機制運行正常。在此過程中，將檢查所有與安全相關的比較器和受監(jiān)控的參考電壓。

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(jiān)測

系統(tǒng)的參考電壓（Reference Voltage）對于芯片的重要性不言而喻，它是芯片中多個電路和模塊正常工作的基礎。在芯片中，多個模塊需要使用參考電壓作為精確電壓控制的基準，例如模擬數(shù)字轉換器（ADC）等。若參考電壓不穩(wěn)定，會導致芯片工作不穩(wěn)定、誤差增加及性能降低。因此，參考電壓的好壞對于芯片能否正常運行至關重要。MPS為保證芯片的參考電壓的精度和穩(wěn)定性，配有參考電壓檢測機制，通過引入冗余參考電壓，對系統(tǒng)參考電壓進行監(jiān)督。一旦發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)電壓漂移超過預設范圍，將拉低并中斷該錯誤。

3.    系統(tǒng)時鐘監(jiān)測

系統(tǒng)的時鐘信號是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(zhí)行相應的操作，例如時鐘信號可以同步計數(shù)器、狀態(tài)機、數(shù)據(jù)采樣及數(shù)據(jù)通信等等。如果時鐘信號出現(xiàn)故障，會導致IC中的電路和模塊無法同步，甚至數(shù)據(jù)丟失、錯誤計數(shù)、狀態(tài)機無法成功跳轉、甚至系統(tǒng)崩潰等等問題。因此在IC設計過程中，時鐘信號的監(jiān)控尤為重要。MPS通過引入一個參考時鐘，與系統(tǒng)時鐘互相監(jiān)測，可以在系統(tǒng)時鐘漂移超過預設范圍時，拉低中斷芯片并報告該錯誤。

用于不同安全等級系統(tǒng)的可擴展、模塊化解決方案

MPSafe^TM不僅考慮了設備本身如何處理各種安全案例，安全目標，還可以通過芯片引腳的兼容性以及配套的安全文件，實現(xiàn)解決方案的可擴展和模塊化功能，以達到可靠高效快捷的目標。解決方案的可擴展性包括滿足不同ASIL安全等級、功能需求和應用場景。模塊化包括針對系統(tǒng)不同應用模塊設計要求具有針對性且靈活性功能的產(chǎn)品。可擴展性和模塊化解決方案使得用戶能夠根據(jù)自身的需求，借助不同規(guī)格的芯片，實現(xiàn)多樣化的安全架構。

現(xiàn)階段，基于MPSafe^TM 開發(fā)流程已發(fā)行了多種涵蓋不同功能的明星產(chǎn)品。通過集成內建自測試 (BIST) 以及診斷和寫保護等復雜的功能安全特性，這些產(chǎn)品已經(jīng)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(xiàn)不同安全等級系統(tǒng)的可擴展和模塊化的解決方案，目前一些基于MPSafe^TM開發(fā)的適用于自動駕駛平臺智能供電與監(jiān)控的產(chǎn)品有：

1.    自動駕駛SoC核心供電：MPQ2967+Intelli-Phase^TM DrMOS

隨著自動駕駛功能的不斷豐富和完善，系統(tǒng)對于主芯片的算力和信息處理能力的要求不斷提高，以滿足更豐富的自動駕駛場景的計算需求。主芯片算力的提高也意味著更高的功耗，系統(tǒng)對于核心供電的要求也更高。MPQ2967 是一款用于汽車高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 和自動駕駛平臺核心供電的功能安全數(shù)字化雙路多相控制器芯片，它可以與 MPS 的 Intelli-Phase^TM 產(chǎn)品配合使用，以更少的外部組件實現(xiàn)多相調壓器 (VR) 解決方案。MPQ2967 基于MPS獨特的數(shù)字多相非線性控制，能以最少的輸出電容為負載階躍提供快速瞬態(tài)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臺定制的個性化配置。

MPQ2967支持系統(tǒng)設計達到ASIL-D的功能安全等級，其集成了內建自測試、時鐘監(jiān)測、寄存器監(jiān)測、存儲器監(jiān)測和糾正、ADC監(jiān)測、狀態(tài)機自檢、I2C通信監(jiān)測和內部電壓監(jiān)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(jiān)控和報告功能。用戶可通過數(shù)字化接口靈活設置和監(jiān)控設備的配置參數(shù)和故障參數(shù)。

圖4：MPQ2967+Intelli-Phase^TM 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(xiàn)安全的通電和斷電，如上下電順序發(fā)生錯亂，可能會導致意外電壓尖峰、系統(tǒng)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于保證系統(tǒng)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系統(tǒng) (ADAS) 和自動駕駛平臺設計的 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制。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(fā)出32.768 kHz的時鐘信號，以及一個具有報警功能的實時時鐘 (RTC)。該芯片還包含可通過 I2C 接口訪問的可配置看門狗，低電平有效的系統(tǒng)復位以及中斷輸出來保證故障監(jiān)測和報告。

圖5：MPQ79700FS-AEC1 原理框圖

3.    電壓監(jiān)控芯片MPQ79500FS-AEC1

MPQ79500FS-AEC1六通道電壓監(jiān)控芯片是一款專為監(jiān)控汽車安全應用系統(tǒng)級芯片 (SoC) 的產(chǎn)品。對于SoC來說，超出范圍的電源電壓可能會導致系統(tǒng)運行性能不佳甚至系統(tǒng)故障，因此電壓監(jiān)控芯片在確保受監(jiān)控的電源電壓方面發(fā)揮著關鍵作用。

MPQ79500FS-AEC1電壓監(jiān)控芯片會在被監(jiān)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(fā)生過壓或者欠壓，電壓監(jiān)控芯片會向安全微控制器單元 (Safety MCU) 報告故障，使MCU在故障發(fā)生后能夠及時做出判斷，保證系統(tǒng)的正常運行。MPS79500FS電壓監(jiān)控芯片可以更智能高精度地監(jiān)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(shù)轉換器 (ADC) 轉換為數(shù)字信號。

2)     高頻電壓噪聲：通過高精度比較器，監(jiān)測電壓噪聲或尖峰。

圖 6：發(fā)生 OVHF 和 OVLF 故障事件時的故障檢測

用戶可以通過 I2C 來訪問并配置OV 和 UV 監(jiān)控閾值和受監(jiān)控范圍。圖6顯示了 MPQ79500FS 在發(fā)生 OVHF 和 OVLF 故障事件時的 OVHF、OVLF、UVHF 和 UVLF 監(jiān)控以及故障報告和記錄。

MPQ79500FS具有多個嵌入式通道，為監(jiān)控大量通道的應用提供了理想的解決方案。 這增加了用戶使用一個集成電壓監(jiān)控芯片監(jiān)控多軌電壓的靈活性，在保證了被監(jiān)控設備的安全運行的同時，為用戶節(jié)約了系統(tǒng)空間和降低成本。用戶還可通過同步多個電壓監(jiān)控芯片到同一時序中來監(jiān)控多個電壓監(jiān)控芯片的所有電壓軌。 對于 MPQ79500FS，此序列監(jiān)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

高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）以其良好的駕駛體驗和安全保障贏得了大量消費者的青睞，除了基本的駕駛需求，消費者對更安全更智能的駕駛有了更高的期待。在新型電動汽車廠商大力推進、傳統(tǒng)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ADAS技術的廠商，為更好的迎合市場需求，都在積極尋求向中端甚至低端市場布局。對于汽車廠商而言，只有盡快實現(xiàn)量產(chǎn)跟進旺盛的需求才有可能在激烈市場競爭中贏得一席之地。同時，市場需求也大大加速了ADAS技術的系統(tǒng)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(xiàn)如今電動汽車及自動駕駛激烈的飛速發(fā)展和激烈競爭， MPS力求為客戶提供一整套完整的系統(tǒng)供電及監(jiān)控解決方案的同時，從客戶角度出發(fā)，與客戶一同高瞻遠矚，幫助客戶加速開發(fā)進程，快速反應市場，更好適應現(xiàn)階段乃至未來若干代自動駕駛技術的革新。

圖 7展示了一個位自動駕駛平臺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臺供電與監(jiān)控平臺。 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MPSafe^TM開發(fā)流程，在保證功能安全的基礎上，同時能幫助用戶實現(xiàn)高效、快捷和成本可控。

圖8展示了由MPS開發(fā)的具有智能電壓監(jiān)控功能的 MPSafe^TM 電源子系統(tǒng)參考設計板。

圖7：智能電壓供電與監(jiān)控應用于自動駕駛平臺的頂層架構

圖 8：具有智能電壓監(jiān)控功能的 MPSafe^TM 電源子系統(tǒng)參考設計板

（注：有關參考設計的更多信息，請聯(lián)系 MPS）

總結

隨著自動駕駛技術的不斷發(fā)展，安全是重中之重，絕不能妥協(xié)。為了自動駕駛的安全和正常運行， MPS提出的智能電源供電系統(tǒng)集成了功能安全、電壓監(jiān)控和安全供電等功能，可以實現(xiàn)高精度、高可靠性和可配置性持續(xù)安全供電與系統(tǒng)監(jiān)測。

參考資料

[1] For more details on MPSafe? Solutions:

MPSafe?解決方案 - 汽車（車規(guī)級） - 產(chǎn)品 (monolithicpower.cn)

[2] A Brief Primer on MPSafe^TM, MPS’s Process to Functional Safety Automotive Development. A Brief Primer on MPSafe^TM, MPS’s