【導讀】任何有影響力的技術(shù)都伴隨著(zhù)一系列風(fēng)險，這些風(fēng)險在與汽車(chē)安全相關(guān)的系統中尤為嚴重。國際標準化組織 (ISO) 26262 系列標準道路車(chē)輛 – 功能安全旨在通過(guò)提供汽車(chē)電氣和電子系統功能安全的指南和要求來(lái)降低道路車(chē)輛的風(fēng)險。ISO 26262 分為 12 個(gè)部分發(fā)布，于 2018 年進(jìn)行了更新，以適應不斷發(fā)展的汽車(chē)技術(shù)，該標準現在包含對半導體的具體要求。ISO 26262 詳細說(shuō)明了一種特定于汽車(chē)且基于風(fēng)險的方法，用于確定風(fēng)險等級 - 稱(chēng)為汽車(chē)安全完整性等級 (ASIL) - 這些等級是根據嚴重性、暴露概率和駕駛員可控性三個(gè)變量對潛在危險進(jìn)行風(fēng)險分析而建立的。
功能安全和 ISO 26262
任何有影響力的技術(shù)都伴隨著(zhù)一系列風(fēng)險，這些風(fēng)險在與汽車(chē)安全相關(guān)的系統中尤為嚴重。國際標準化組織 (ISO) 26262 系列標準道路車(chē)輛 – 功能安全旨在通過(guò)提供汽車(chē)電氣和電子系統功能安全的指南和要求來(lái)降低道路車(chē)輛的風(fēng)險。ISO 26262 分為 12 個(gè)部分發(fā)布，于 2018 年進(jìn)行了更新，以適應不斷發(fā)展的汽車(chē)技術(shù)，該標準現在包含對半導體的具體要求。ISO 26262 詳細說(shuō)明了一種特定于汽車(chē)且基于風(fēng)險的方法，用于確定風(fēng)險等級 - 稱(chēng)為汽車(chē)安全完整性等級 (ASIL) - 這些等級是根據嚴重性、暴露概率和駕駛員可控性三個(gè)變量對潛在危險進(jìn)行風(fēng)險分析而建立的。
在開(kāi)發(fā)符合功能安全標準的平臺時(shí)，汽車(chē)制造商需要 ASIL 系統級等級的各種分級。例如，環(huán)視、駕駛員監控以及用于高級駕駛輔助系統 (ADAS) 的雷達和激光雷達需要 ASIL D 系統級等級。與此同時(shí)，數字駕駛艙和信息娛樂(lè )系統等終端設備只需要 ASIL B 等級。此類(lèi)安全關(guān)鍵型系統的一個(gè)首要主題是需要通過(guò)汽車(chē)電池電源可靠地為大電流片上系統 (SoC) 和多核處理器負載供電。
具有外部電壓監控功能且符合功能安全標準的設計
同步降壓控制器集成電路 (IC) 可在汽車(chē)設計中實(shí)現直流/直流轉換，這些設計采用 12V、24V 和 48V 電池輸入，滿(mǎn)足大電流處理器負載的要求，其電流規格通常超過(guò) 100A。圖 1 展示了一種雙輸出配置，該配置在系統的每個(gè)輸出上都包含一個(gè)電壓監控 IC，以實(shí)現 ASIL D 功能安全合規性。
圖 1：具有輸出電壓監控 IC 的非電池供電雙路輸出降壓前置穩壓器
圖 1 中的 Q3 和 Q6 指定在存在輸出故障的情況下斷開(kāi)的輸出斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。圖 1 所示的傳統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微控制器 (MCU)。
具有同步降壓控制器且符合功能安全標準的設計
80V 雙通道直流/直流降壓控制器 LM5137F-Q1 包括為高功率 SoC 內核和 I/O 電源軌實(shí)施高效同步降壓穩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(lèi)別：TI 功能安全型、ASIL B 或 ASIL D，器件型號中的“F”后綴指定后兩個(gè)選項。
該系列還提供電壓可擴展性，支持 12V、24V 和 48V 電池輸入，開(kāi)關(guān)頻率范圍為 100kHz 至 2.2MHz。集成電荷泵柵極驅動(dòng)器具有 100% 的占空比功能，并且支持真正的直通模式運行。LM5137F-Q1 還具有超低靜態(tài)電流，可延長(cháng)電池壽命，提高輕負載效率，并具有雙隨機展頻 (DRSS)，可在各種頻率下成功應對電磁干擾 (EMI)。
圖 2 展示了使用 LM5137F-Q1 降壓控制器的 ASIL D 系統中前置穩壓器設計的完整電路原理圖。該設計具有與圖 1 基本相同的工作規格和功率級元件，但不需要外部電壓監控 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)交錯相位的單輸出實(shí)現方案（或針對要求特別嚴苛的高電流負載將其堆疊至四個(gè)相位）。
圖 2：使用 LM5137F-Q1 降壓控制器實(shí)現 ASIL D 的非電池供電雙路輸出降壓前置穩壓器
LM5137F-Q1 包含安全機制，可幫助滿(mǎn)足 ISO 26262 系統功能和硬件完整性功能安全要求，最高可達 ASIL D。此類(lèi)安全機制包括模擬內置自檢 (ABIST)，可在允許輸出啟動(dòng)之前驗證 LM5137F-Q1 控制器和周?chē)倪\行狀況。該器件還具有冗余輸出電壓監控功能，無(wú)需外部電路，并且可以節省硬件成本，減小尺寸和復雜性。其他安全機制包括高級故障報告、過(guò)流監測和報告、輸出欠壓和過(guò)壓保護以及冗余熱關(guān)斷。
如圖 2 所示，功能安全降壓控制器的系統級和電路級優(yōu)勢包括：
集成式診斷功能，包括啟動(dòng)前的 ABIST 和正常運行期間的每通道電流監控。
集成冗余，包括高級故障識別和容錯功能，可降低基于時(shí)基故障 (FIT) 的故障率。
不再需要補充的電壓和電流監測 IC，從而減少元件數量并節省空間。
具有同步降壓轉換器且符合功能安全標準的設計
具有集成開(kāi)關(guān)的降壓轉換器提供電壓和電流可擴展性，是前置穩壓級的另一種選擇。例如，65V、8A LM68680-Q1 和 65V、4.5A LM68645-Q1 降壓轉換器系列可以耐受 70V 的輸入瞬態(tài)，同時(shí)滿(mǎn)足必須至少達到 ASIL C 的系統要求。這些轉換器可擴展至 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 作為前置穩壓器為 30A TPS62883-Q1 和 20A TPS62881-Q1 可堆疊兩相負載點(diǎn) (PoL) 降壓轉換器供電的系統方框圖。通過(guò)輸出電壓的差分遙感和超快速負載瞬態(tài)響應，這些 PoL 可為 ADAS 域控制器應用中使用的 Jacinto? TDA4VH-Q1 汽車(chē) SoC 提供嚴格的電壓調節。
圖 3：采用降壓轉換器為汽車(chē) SoC 供電的系統方框圖
無(wú)論選擇哪種具有控制器或轉換器選項的架構來(lái)為各種 SoC 電壓軌供電，TI 都會(huì )提供業(yè)界通用報告和其他資源 - 包括 IC 級文檔，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級認證。
結語(yǔ)
隨著(zhù)汽車(chē)電力電子產(chǎn)品朝著(zhù)符合功能安全標準的設計發(fā)展，這些設計具有更高的密度、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壓器功率級的控制器和轉換器。在這種情況下，在設計需要高密度降壓前置穩壓器的系統時(shí)，實(shí)現高達 ASIL D 的功能安全合規性是面臨的主要挑戰之一。
當針對需要輔助監控和監控元件以實(shí)現功能安全合規性的傳統控制器設計進(jìn)行基準測試時(shí)，LM5137F-Q1 等降壓控制器具有多項固有優(yōu)勢。此外，TI 的功能安全合規型具有 65V 額定電壓的降壓轉換器為低功耗設計提供了一種替代方案。
文章來(lái)源：德州儀器
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