为什么从头开始为汽车应用设计IC很重要

今天的汽车是车轮上的计算机，多个系统不断相互通信，以提供智能，使驾驶员和乘客在将驾驶员和乘客从A点带到B点时保持安全，舒适和娱乐。虽然我们还没有准备好完全欢迎道路上的全自动驾驶汽车，但我们正在体验2级和3级自动驾驶技术的好处，这些技术提供了部分到有条件的转向，加速和制动自动化。反过来，这些技术又推动了对车内半导体内容的需求。本文将探讨为什么从性能和安全角度出发，从头开始设计汽车IC比重新利用最初设计用于其他用途的芯片更好。

介绍

通过触摸屏幕或通过语音命令，您可以控制现代汽车中的许多电子功能：例如GPS，加热和冷却以及娱乐系统。汽车本身拥有自己做更多事情的智能，从自动打开远光灯到自动停车，检测盲点，以及先发制人的制动以避免碰撞。使所有这些功能成为可能的是内部的数百个微控制器单元、传感器和模拟 IC。

根据美国国际贸易委员会（USITC）的数据，虽然传统汽车含有价值330美元的半导体含量，但平均而言，混合动力电动汽车可以拥有价值高达1，000美元的半导体，并拥有多达3，500个零件。1毕马威（KPMG）的分析师指出，在电气化、自主性、连接性和移动即服务等趋势的推动下，汽车半导体市场有可能从40年的2019亿美元增长到200年的2040亿美元。混合动力和电动汽车的半导体含量已经是内燃机汽车的两倍。采用LiDAR传感器、5G通信和图像识别系统设计的全自动驾驶汽车预计将包含8倍至10倍于非自动驾驶汽车的半导体含量。2

在本文中，我们将讨论汽车对半导体的独特要求，这些半导体使其许多功能栩栩如生。我们还将重点介绍为什么专为汽车应用设计的IC（而不是从其他用例中重新利用的设备）对于这些车辆的安全性和可靠性运行至关重要。

每一代汽车都变得越来越智能

窥视典型的现代车辆内部，您可能会发现以下IC：

高级驾驶辅助系统 （ADAS） 应用。ADAS应用提供汽车功能，如停车辅助、车道定位和防撞。其中许多系统使用摄像头、雷达、声纳和 LiDAR 监控，甚至视频处理算法和多个摄像机来提供警告和警报。

电源管理。DC-DC 转换器和稳压器等设备在负载点管理分布在整个车辆中的控制模块、传感器和执行器的电源。

电动汽车 （EV） 动力总成。使用大型锂离子电池组进行储能的全电动以及混合动力和插电式混合动力汽车的安全可靠运行需要强大的电池管理IC来报告状态、控制充电和平衡电池。

信息娱乐应用程序。这些应用程序提供导航、与消费者手机的应用程序链接、车辆性能消息、有关周围环境的数据以及音频和视频播放。这些功能需要各种模拟IC，包括：电源管理IC、USB保护、显示电源IC、低噪声放大器、RF调谐器和接收器、高速串行链路和传感器。

LED照明应用。LED驱动器和控制器为这些车辆外部和内部应用提供可靠的电源。

车身电子。这些设计包括提供控制功能、实现诊断和安全功能以及管理电源的系统。电源开关和监控电路、传感器、传感器接口和通信IC都是这些应用不可或缺的一部分。

连接性。物联网已经进入汽车应用，车对车（V2V）通信和车对一切（V2X）等功能可以使我们的驾驶员更安全，交通流量更有效率。

安全性。在车内安装原装零件可以保证安全，保护从车辆到云的数据通信也是如此。安全认证器有助于确保汽车组件的真实性、安全性和可靠性。

汽车环境对这些半导体提出了一些独特的要求。汽车的使用寿命很长——平均在路上行驶 11.6 年——并在极端温度范围内（-40°F 至 300°F）运行。因此，与消费类应用的汽车半导体不同，汽车半导体必须在这些条件下保持高质量及其功能。事实上，考虑到安全因素，汽车原始设备制造商预计他们的半导体在 15 年内的故障率为十亿分之零，更换零件的供应长达 30 年。3

事实上，某些汽车应用（如ADAS和显示器）的本质已经成为车辆安全不可或缺的一部分，因此这些系统现在必须满足汽车功能安全要求。ISO 26262为汽车电子/电气系统的功能安全提供了国际标准。ISO 26262的一个重要组成部分是汽车安全完整性等级（ASIL），它对汽车系统中的固有安全风险进行分类。有四个ASIL级别，每个级别由以下因素决定：严重程度（伤害），暴露（概率）和可控性。ADAS应用通常必须满足ASIL D（最高级别），而显示器应符合ASIL B。

尽管有所有这些要求和要求，一些半导体供应商只是简单地重新配置了他们的IC，这些IC最初是为其他目的设计的，用于汽车应用。由此产生的IC可能会在性能和质量方面做出权衡。考虑到汽车IC提供的基本功能，这不是一个值得冒险的风险。

帮助您设计更安全、更智能的汽车的历史

ADI公司在从头开始设计汽车IC以用于车辆设计方面有着悠久的历史。早期，我们有利用为另一个终端应用设计的模块来创建汽车IC的经验，但很快意识到这种方法并不是最佳的。例如，让我们考虑一下，如果供应商想要将最初为消费类应用设计的芯片重新定位为汽车应用，会发生什么情况。它的功能要求很稳定，因此芯片设计人员继续调整各种参数。但接下来是温度规格。用于消费类设备的芯片需要符合0°C至70°C的范围，而汽车IC必须能够在更高的温度（高达300°F）下可靠运行。显然，该芯片无法成功表征具有严格六西格玛EC表限制的汽车环境。ADI公司很早就认识到，最好专注于了解客户在系统层面面临的特定问题，然后设计汽车解决方案来应对这些特定挑战。

我们的工艺流程旨在推动产品实现零缺陷。我们提供数百种符合 AEC-Q100 的产品。（“汽车电子委员会基于失效机制的集成电路压力测试资格认证”。我们还满足国际标准化组织 （ISO） 为汽车产品的设计、开发和生产定义的质量管理体系要求。

我们对汽车芯片设计流程应用了一定程度的严谨性，该流程是独一无二的，并且面向性能和质量。例如，我们拥有自己特定的数字汽车库、独特的汽车设计规则、独特的金属布线和焊盘设计方法，以及采用冗余设计的金属互连。我们设计的汽车 IC 可在存在辐射和电噪声的情况下提供鲁棒性。我们在所需的性能与目标应用的独特规格之间取得平衡，无论它涉及效率、排放、抗扰度还是其他因素。由于我们从一开始就专注于辐射环境中的鲁棒性，因此将我们的汽车IC从最初为任何其他目的创建的芯片中重新定位是不切实际的。ADI公司即使采用源自其他应用领域的技术也遵循这种方法。例如，尽管USB充电、显示器、语音和手势控制以及GPS等功能起源于其他类型的设计，但ADI公司仍然为汽车应用从头开始设计这些功能的芯片。

总结

鉴于对汽车的独特要求及其恶劣的工作环境，汽车IC必须从头开始设计，以满足汽车应用的严格和独特要求。虽然重新利用最初为另一个终端市场设计的芯片可能会加快上市时间，但它会带来权衡，最终会阻碍车辆的性能和安全性。对于ADI公司来说，当我们致力于帮助您设计更安全、更智能的汽车时，这不是值得做出的权衡。

审核编辑：郭婷