车用FPGA—在引擎控制单元运行中发挥可靠效能
摘要：利用MCU,定制ASIC和体积庞大的电线束来引进及控制电子系统,并随着汽车的更新换代而扩展功能,这些方案日渐发展至接近其技术和应用极限。本文介绍了FPGA在车上的应用,解决包括舒缓产品更快推出市场的压力;增加元件数目;在单一硬件平台上实施标准化;以及不断升级的安全要求。
关键词：汽车电子,FPGA,引擎控制单元
传统上,汽车电子工程师利用MCU、定制ASIC和体积庞大的电线束来引进及控制电子系统,并随着汽车的更新换代而扩展功能。然而,由于这些方案日渐发展至接近其技术和应用极限,汽车工业正面临新的设计挑战。因此,许多设计人员都转向FPGA来解决有关问题,包括舒缓产品更快推出市场的压力;增加元件数目;在单一硬件平台上实施标准化;以及不断升级的安全要求。
过去习惯于漫长的产品和开发周期,许多汽车制造商现正致力于在更短的时间内,装备电子消费者所需的新一代汽车。诸如GPS导航系统和DVD播放机等设备的使用寿命相对较短,因此,产品推出市场的时间非常重要。与传统的汽车应用不同,这些娱乐和远程信息处理系统的特点是其中等生产规模及上市压力与消费市场相若。今天,采用ASIC可能会令开发周期增加30周,加上ASIC的掩模成本大幅攀升,使到器件的支出和风险也进一步提高。
与此同时,因为当今的汽车引入了许多标准和技术,令到ASIC的应用缺乏固有灵活性,从而增加其被废弃和延迟应用的风险。消费者还要求享有各式的功能选项,使得汽车厂商必需以一套元件组合为基础,再根据不同需求进行配置。为了快速实现这些高度集成和不断变化的系统,产品能够快速推出市场的FPGA为汽车厂商带来了所需的灵活性,可在现场进行系统硬件升级,而毋须执行昂贵的返工工程和部件更换。所以,FPGA现已应用于汽车电子中,范畴从设计验证到制造和服务。
最后,随着汽车内的空间非常珍贵,可编程逻辑能在小型单芯片方案上集成许多不同功能的能力,也显得极之吸引。
今天的汽车电子还有一个要求,就是大批量制造 (以低成本),并且在严苛的环境中保持高可靠性,此外还需要在这个快速发展和竞争激烈的市场中考虑设计安全问题。评估FPGA器件的技术决策者因此需要了解所考虑器件的可靠和安全特性。
FPGA故障可由许多机械原因造成。其中,某些问题如ESD曝光及其它封装和组装是半导体器件所固有的;其它如电介质材料随时间发生击穿,或者易受亚原子粒子碰撞影响的问题,则随着工艺几何尺寸的缩小而日益重要。所有问题都受到电子元件可靠性的传统敌人 – 温度应力 – 所影响。
汽车电子设计人员通过使用具有扩展温度范围的FPGA技术,显著提高抵抗多种故障的能力。虽然许多元件供应商采用预防性的设计技术及限定方法来模拟和仿真环境应力,但是某些FPGA构架在承受扩展温度范围曝光方面仍然具有先天优势。举例说,Actel以反熔丝为基础的汽车器件能承受业界最高的结点温度 (+150C),为设计人员的高可靠性系统带来更大的性能容限。
在高温下工作的能力不仅有利于抵御故障,汽车电子应用在空间和成本上都没有余地来加设风扇和散热装置,因此器件必须在没有外部散热装置的情况下仍能提供所需的性能。
极端的环境往往会导致与FPGA组装和封装相关的故障模式,而非与装置本身有关。所以在汽车电子系统的各个层面预留规格的余地非常重要。FPGA供货商如Xilinx 和Actel等提供的产品具有宽广的**温度范围,能够更好地处理热膨胀系数,避免热应力的影响。
即使于正常的温度和电压下工作,在FPGA的栅极氧化膜上反复施加电压应力最终也会使器件内的电介质绝缘层发生击穿。这种随使用时间累计而产生的击穿现象称为“时间相关绝缘击穿”(TDDB)。加上深亚微米技术的使用,会增加这类故障在现场发生的风险。
