車用FPGA—在引擎控制單元運(yùn)行中發(fā)揮可靠效能
摘要：利用MCU,定制ASIC和體積龐大的電線束來引進(jìn)及控制電子系統(tǒng),并隨著汽車的更新?lián)Q代而擴(kuò)展功能,這些方案日漸發(fā)展至接近其技術(shù)和應(yīng)用極限。本文介紹了FPGA在車上的應(yīng)用,解決包括舒緩產(chǎn)品更快推出市場的壓力;增加元件數(shù)目;在單一硬件平臺(tái)上實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化;以及不斷升級(jí)的安全要求。
關(guān)鍵詞：汽車電子,FPGA,引擎控制單元
傳統(tǒng)上,汽車電子工程師利用MCU、定制ASIC和體積龐大的電線束來引進(jìn)及控制電子系統(tǒng),并隨著汽車的更新?lián)Q代而擴(kuò)展功能。然而,由于這些方案日漸發(fā)展至接近其技術(shù)和應(yīng)用極限,汽車工業(yè)正面臨新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。因此,許多設(shè)計(jì)人員都轉(zhuǎn)向FPGA來解決有關(guān)問題,包括舒緩產(chǎn)品更快推出市場的壓力;增加元件數(shù)目;在單一硬件平臺(tái)上實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化;以及不斷升級(jí)的安全要求。
過去習(xí)慣于漫長的產(chǎn)品和開發(fā)周期,許多汽車制造商現(xiàn)正致力于在更短的時(shí)間內(nèi),裝備電子消費(fèi)者所需的新一代汽車。諸如GPS導(dǎo)航系統(tǒng)和DVD播放機(jī)等設(shè)備的使用壽命相對較短,因此,產(chǎn)品推出市場的時(shí)間非常重要。與傳統(tǒng)的汽車應(yīng)用不同,這些娛樂和遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)的特點(diǎn)是其中等生產(chǎn)規(guī)模及上市壓力與消費(fèi)市場相若。今天,采用ASIC可能會(huì)令開發(fā)周期增加30周,加上ASIC的掩模成本大幅攀升,使到器件的支出和風(fēng)險(xiǎn)也進(jìn)一步提高。
與此同時(shí),因?yàn)楫?dāng)今的汽車引入了許多標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù),令到ASIC的應(yīng)用缺乏固有靈活性,從而增加其被廢棄和延遲應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)。消費(fèi)者還要求享有各式的功能選項(xiàng),使得汽車廠商必需以一套元件組合為基礎(chǔ),再根據(jù)不同需求進(jìn)行配置。為了快速實(shí)現(xiàn)這些高度集成和不斷變化的系統(tǒng),產(chǎn)品能夠快速推出市場的FPGA為汽車廠商帶來了所需的靈活性,可在現(xiàn)場進(jìn)行系統(tǒng)硬件升級(jí),而毋須執(zhí)行昂貴的返工工程和部件更換。所以,FPGA現(xiàn)已應(yīng)用于汽車電子中,范疇從設(shè)計(jì)驗(yàn)證到制造和服務(wù)。
最后,隨著汽車內(nèi)的空間非常珍貴,可編程邏輯能在小型單芯片方案上集成許多不同功能的能力,也顯得極之吸引。
今天的汽車電子還有一個(gè)要求,就是大批量制造 (以低成本),并且在嚴(yán)苛的環(huán)境中保持高可靠性,此外還需要在這個(gè)快速發(fā)展和競爭激烈的市場中考慮設(shè)計(jì)安全問題。評(píng)估FPGA器件的技術(shù)決策者因此需要了解所考慮器件的可靠和安全特性。
FPGA故障可由許多機(jī)械原因造成。其中,某些問題如ESD曝光及其它封裝和組裝是半導(dǎo)體器件所固有的;其它如電介質(zhì)材料隨時(shí)間發(fā)生擊穿,或者易受亞原子粒子碰撞影響的問題,則隨著工藝幾何尺寸的縮小而日益重要。所有問題都受到電子元件可靠性的傳統(tǒng)敵人 – 溫度應(yīng)力 – 所影響。
汽車電子設(shè)計(jì)人員通過使用具有擴(kuò)展溫度范圍的FPGA技術(shù),顯著提高抵抗多種故障的能力。雖然許多元件供應(yīng)商采用預(yù)防性的設(shè)計(jì)技術(shù)及限定方法來模擬和仿真環(huán)境應(yīng)力,但是某些FPGA構(gòu)架在承受擴(kuò)展溫度范圍曝光方面仍然具有先天優(yōu)勢。舉例說,Actel以反熔絲為基礎(chǔ)的汽車器件能承受業(yè)界最高的結(jié)點(diǎn)溫度 (+150C),為設(shè)計(jì)人員的高可靠性系統(tǒng)帶來更大的性能容限。
在高溫下工作的能力不僅有利于抵御故障,汽車電子應(yīng)用在空間和成本上都沒有余地來加設(shè)風(fēng)扇和散熱裝置,因此器件必須在沒有外部散熱裝置的情況下仍能提供所需的性能。
極端的環(huán)境往往會(huì)導(dǎo)致與FPGA組裝和封裝相關(guān)的故障模式,而非與裝置本身有關(guān)。所以在汽車電子系統(tǒng)的各個(gè)層面預(yù)留規(guī)格的余地非常重要。FPGA供貨商如Xilinx 和Actel等提供的產(chǎn)品具有寬廣的**溫度范圍,能夠更好地處理熱膨脹系數(shù),避免熱應(yīng)力的影響。
即使于正常的溫度和電壓下工作,在FPGA的柵極氧化膜上反復(fù)施加電壓應(yīng)力最終也會(huì)使器件內(nèi)的電介質(zhì)絕緣層發(fā)生擊穿。這種隨使用時(shí)間累計(jì)而產(chǎn)生的擊穿現(xiàn)象稱為“時(shí)間相關(guān)絕緣擊穿”(TDDB)。加上深亞微米技術(shù)的使用,會(huì)增加這類故障在現(xiàn)場發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。
