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在汽車非電池供電降壓前置穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)功能安全合規(guī)性

本文作者：德州儀器點(diǎn)擊： 2025-01-13 14:06

前言：

功能安全和 ISO 26262

任何有影響力的技術(shù)都伴隨著一系列風(fēng)險(xiǎn)，這些風(fēng)險(xiǎn)在與汽車安全相關(guān)的系統(tǒng)中尤為嚴(yán)重。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 26262 系列標(biāo)準(zhǔn)道路車輛 – 功能安全旨在通過(guò)提供汽車電氣和電子系統(tǒng)功能安全的指南和要求來(lái)降低道路車輛的風(fēng)險(xiǎn)。ISO 26262 分為 12 個(gè)部分發(fā)布，于 2018 年進(jìn)行了更新，以適應(yīng)不斷發(fā)展的汽車技術(shù)，該標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在包含對(duì)半導(dǎo)體的具體要求。ISO 26262 詳細(xì)說(shuō)明了一種特定于汽車且基于風(fēng)險(xiǎn)的方法，用于確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí) - 稱為汽車安全完整性等級(jí) (ASIL) - 這些等級(jí)是根據(jù)嚴(yán)重性、暴露概率和駕駛員可控性三個(gè)變量對(duì)潛在危險(xiǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析而建立的。

在開發(fā)符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)的平臺(tái)時(shí)，汽車制造商需要 ASIL 系統(tǒng)級(jí)等級(jí)的各種分級(jí)。例如，環(huán)視、駕駛員監(jiān)控以及用于高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 的雷達(dá)和激光雷達(dá)需要 ASIL D 系統(tǒng)級(jí)等級(jí)。與此同時(shí)，數(shù)字駕駛艙和信息娛樂(lè)系統(tǒng)等終端設(shè)備只需要 ASIL B 等級(jí)。此類安全關(guān)鍵型系統(tǒng)的一個(gè)首要主題是需要通過(guò)汽車電池電源可靠地為大電流片上系統(tǒng) (SoC) 和多核處理器負(fù)載供電。

具有外部電壓監(jiān)控功能且符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)

同步降壓控制器集成電路 (IC) 可在汽車設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)直流/直流轉(zhuǎn)換，這些設(shè)計(jì)采用 12V、24V 和 48V 電池輸入，滿足大電流處理器負(fù)載的要求，其電流規(guī)格通常超過(guò) 100A。圖 1 展示了一種雙輸出配置，該配置在系統(tǒng)的每個(gè)輸出上都包含一個(gè)電壓監(jiān)控 IC，以實(shí)現(xiàn) ASIL D 功能安全合規(guī)性。

圖 1: 具有輸出電壓監(jiān)控 IC 的非電池供電雙路輸出降壓前置穩(wěn)壓器

圖 1 中的 Q3 和 Q6 指定在存在輸出故障的情況下斷開的輸出斷開開關(guān)。圖 1 所示的傳統(tǒng)雙路輸出降壓控制器使用電源正常 (PG1/2) 引腳將基本的診斷信息返回到系統(tǒng)微控制器 (MCU)。

具有同步降壓控制器且符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)

80V 雙通道直流/直流降壓控制器 LM5137F-Q1 包括為高功率 SoC 內(nèi)核和 I/O 電源軌實(shí)施高效同步降壓穩(wěn)壓器所需的所有功能。該器件所屬的控制器系列提供了三個(gè)適用于功能安全的類別：TI 功能安全型、ASIL B 或 ASIL D，器件型號(hào)中的“F”后綴指定后兩個(gè)選項(xiàng)。

該系列還提供電壓可擴(kuò)展性，支持 12V、24V 和 48V 電池輸入，開關(guān)頻率范圍為 100kHz 至 2.2MHz。集成電荷泵柵極驅(qū)動(dòng)器具有 100% 的占空比功能，并且支持真正的直通模式運(yùn)行。LM5137F-Q1 還具有超低靜態(tài)電流，可延長(zhǎng)電池壽命，提高輕負(fù)載效率，并具有雙隨機(jī)展頻 (DRSS)，可在各種頻率下成功應(yīng)對(duì)電磁干擾 (EMI)。

圖 2 展示了使用 LM5137F-Q1 降壓控制器的 ASIL D 系統(tǒng)中前置穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的完整電路原理圖。該設(shè)計(jì)具有與圖 1 基本相同的工作規(guī)格和功率級(jí)元件，但不需要外部電壓監(jiān)控 IC。為了提高靈活性，您可以將降壓控制器配置為具有兩個(gè)交錯(cuò)相位的單輸出實(shí)現(xiàn)方案（或針對(duì)要求特別嚴(yán)苛的高電流負(fù)載將其堆疊至四個(gè)相位）。

圖 2: 使用 LM5137F-Q1 降壓控制器實(shí)現(xiàn) ASIL D 的非電池供電雙路輸出降壓前置穩(wěn)壓器

LM5137F-Q1 包含安全機(jī)制，可幫助滿足 ISO 26262 系統(tǒng)功能和硬件完整性功能安全要求，最高可達(dá) ASIL D。此類安全機(jī)制包括模擬內(nèi)置自檢 (ABIST)，可在允許輸出啟動(dòng)之前驗(yàn)證 LM5137F-Q1 控制器和周圍元件的運(yùn)行狀況。該器件還具有冗余輸出電壓監(jiān)控功能，無(wú)需外部電路，并且可以節(jié)省硬件成本，減小尺寸和復(fù)雜性。其他安全機(jī)制包括高級(jí)故障報(bào)告、過(guò)流監(jiān)測(cè)和報(bào)告、輸出欠壓和過(guò)壓保護(hù)以及冗余熱關(guān)斷。

如圖 2 所示，功能安全降壓控制器的系統(tǒng)級(jí)和電路級(jí)優(yōu)勢(shì)包括：

• 集成式診斷功能，包括啟動(dòng)前的 ABIST 和正常運(yùn)行期間的每通道電流監(jiān)控。

• 集成冗余，包括高級(jí)故障識(shí)別和容錯(cuò)功能，可降低基于時(shí)基故障 (FIT) 的故障率。

• 不再需要補(bǔ)充的電壓和電流監(jiān)測(cè) IC，從而減少元件數(shù)量并節(jié)省空間。

具有同步降壓轉(zhuǎn)換器且符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)

具有集成開關(guān)的降壓轉(zhuǎn)換器提供電壓和電流可擴(kuò)展性，是前置穩(wěn)壓級(jí)的另一種選擇。例如，65V、8A LM68680-Q1 和 65V、4.5A LM68645-Q1 降壓轉(zhuǎn)換器系列可以耐受 70V 的輸入瞬態(tài)，同時(shí)滿足必須至少達(dá)到 ASIL C 的系統(tǒng)要求。這些轉(zhuǎn)換器可擴(kuò)展至 12V、24V 和 48V 輸入，提供與上述 LM5137F-Q1 控制器相似的功能安全特性。

圖 3 是使用 LM68680-Q1 和 LM68645-Q1 作為前置穩(wěn)壓器為 30A TPS62883-Q1 和 20A TPS62881-Q1 可堆疊兩相負(fù)載點(diǎn) (PoL) 降壓轉(zhuǎn)換器供電的系統(tǒng)方框圖。通過(guò)輸出電壓的差分遙感和超快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，這些 PoL 可為 ADAS 域控制器應(yīng)用中使用的 Jacinto™ TDA4VH-Q1 汽車 SoC 提供嚴(yán)格的電壓調(diào)節(jié)。

圖 3: 采用降壓轉(zhuǎn)換器為汽車 SoC 供電的系統(tǒng)方框圖

無(wú)論選擇哪種具有控制器或轉(zhuǎn)換器選項(xiàng)的架構(gòu)來(lái)為各種 SoC 電壓軌供電，德州儀器都會(huì)提供業(yè)界通用報(bào)告和其他資源 - 包括 IC 級(jí)文檔，例如功能安全時(shí)基故障率和故障模式影響和診斷分析 (FMEDA) - 以幫助簡(jiǎn)化您的功能安全系統(tǒng)級(jí)認(rèn)證。

結(jié)語(yǔ)

隨著汽車電力電子產(chǎn)品朝著符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)發(fā)展，這些設(shè)計(jì)具有更高的密度、更小的封裝、更高的性能和更低的成本，因此必須重新思考選擇降壓前置穩(wěn)壓器功率級(jí)的控制器和轉(zhuǎn)換器。在這種情況下，在設(shè)計(jì)需要高密度降壓前置穩(wěn)壓器的系統(tǒng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)高達(dá) ASIL D 的功能安全合規(guī)性是面臨的主要挑戰(zhàn)之一。

當(dāng)針對(duì)需要輔助監(jiān)控和監(jiān)控元件以實(shí)現(xiàn)功能安全合規(guī)性的傳統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試時(shí)，LM5137F-Q1 等降壓控制器具有多項(xiàng)固有優(yōu)勢(shì)。此外，德州儀器的功能安全合規(guī)型具有 65V 額定電壓的降壓轉(zhuǎn)換器為低功耗設(shè)計(jì)提供了一種替代方案。

其他資源

• 閱讀德州儀器的功能安全登錄頁(yè)面。

• 下載 LM5137F-Q1 降壓控制器以及 LM68645-Q1 和 TPS62883-Q1 降壓轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)表。

• 查看 LM25137F-Q1-EVM5D3 評(píng)估模塊用戶指南。

• 閱讀技術(shù)文章“使用 TI 功能安全合規(guī)型降壓穩(wěn)壓器為下一代 ADAS 處理器供電”。

• 請(qǐng)參閱白皮書“簡(jiǎn)化汽車和工業(yè)中的功能安全認(rèn)證”。

關(guān)于德州儀器 (TI)

德州儀器是一家全球性的半導(dǎo)體公司，從事設(shè)計(jì)、制造和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車、個(gè)人電子產(chǎn)品、通信設(shè)備和企業(yè)系統(tǒng)等市場(chǎng)。我們致力于通過(guò)半導(dǎo)體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟(jì)實(shí)用，讓世界更美好。如今，每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，使我們的技術(shù)變得更可靠、更經(jīng)濟(jì)、更節(jié)能，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

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