关于汽车ADAS SoC的数据转换器IP的介绍和应用

需要数据转换器的传感器应用涉及十分广泛的范围，例如用于识别不同发动机状态的温度传感器，或者支持汽车驾驶辅助系统（ADAS）的雷达/激光雷达等。涉及到数据转换器的其他应用还包括用于与其他车辆或固定网络进行通信的无线收发器。数据转换器IP（“模拟-数字”和“数字-模拟”）为汽车片上系统（SoC）提供了多种模拟传感器的接口。对于ADAS而言，电子系统及其组件，例如SoC和IP，都必须提供最高程度的可靠性和安全性，同时还要能够经受极端温度范围考验并具备较长的使用寿命。由于这个原因，汽车电子系统及其组件必须遵守一套严格的汽车可靠性和功能安全性标准。

本文将简要介绍汽车可靠性标准，并将重点讨论一些用来满足汽车要求的高效、优化的程序。后者主要是通过在IP（例如数据转换器）与包含IP的SoC功能模块之间对功能安全性要求进行审慎划分而实现的。

可靠性设计
汽车电子委员会（AEC）已经为汽车行业制定了一套认证标准。AEC-Q100标准定义了SoC及其组件（例如IP）必须支持的、规定的温度等级从0级到3级不等，具体取决于希望SoC或IP正常运行的最高环境温度（参见表1）。

表1：环境温度等级的定义

对于汽车SoC或IP电路仿真而言，设计人员必须将环境温度转换为(结温)晶体接面问度。准确的转换必须考虑SoC中的平均活动（它消耗的平均功率）以及封装热阻，这能够测量其从芯片中去除热能并将其消散在环境中的能力（芯片本身与环境之间的温差）。为了测量温度对设备（SoC或IP）的影响，需要指定温度一份特征图，以测量SoC或IP在其生命周期内任何给定温度范围内处于运行状态的预期时间。

除了满足温度要求外，组件还必须满足最大故障率要求。故障率以每百万个产品中的不良数（dppm）来衡量，要求在整个15年的汽车产品生命周期中小于1 dppm。dppm考虑以下关键方面：

设计变异性（variability）是指导致设备不匹配的某些制造工艺特性的变化。它从本地（随机变化）和整个芯片（梯度效应）两个方面影响SoC。为了满足低故障率要求，对关键块进行的蒙特卡洛统计模拟将分析失配分布的极值（例如，高达5*σ）。

晶体管老化是指构成SoC的晶体管的特性发生的变化，这种变化是工作时间以及该时间内工作条件的函数。它是诸如HCI（热载流子注入）、NBTI（负偏置温度不稳定）、PBTI（正偏置温度不稳定）之类的结果，其能够改变晶体管的阈值电压，是其生命周期内工作条件的函数。它必须考虑任务配置文件、晶体管的预期总开机时间（POH）以及汽车应用的低故障率要求。在设计阶段，通过运行模拟来满足目标故障率，这包括在规定温度下在等效POH期间的老化效应。

电迁移是指存在显著电流密度时互连导线和触点中导体原子的位移，这会改变互连迹线（trace）的电阻率（甚至可能会中断它）以及电路的时序特性。电迁移效应也取决于温度特性以及SoC中预期POH的总数。特定的仿真模型能够验证SoC生命周期内没有电迁移问题。

除上述内容外，还必须保证在预期最大功能温度下的瞬时工作，即使该温度特性表明SoC或IP可能能够在该温度下仅在总工作时间的一小部分内进行工作。这一要求确保了当SoC或IP在最高温度下工作时，它能够满足功能和性能规范，同时不会发生可能限制功能的时序违规等情形。

功能安全设计
ISO 26262规格适用于任何汽车SoC或IP，用于安全关键型ADAS应用，而且该规格还在目标“汽车安全完整性等级”（ASIL）范围内定义了SoC或IP的功能安全性。该等级的范围是从A（低风险潜能）到D（最高风险潜能）。用于汽车ADAS应用的SoC或IP必须按照预期的ASIL实现安全性功能。汽车IP的关键功能安全性考虑因素包括：

该IP能够检测、报告并自行纠正故障吗？利用纠错码（ECC）检查、多数表决、某些形式的本地冗余等功能可以帮助检测和纠正故障

IP能否检测到故障并在可接受的短时间内将其报告，以便让系统中的其他层面及时执行安全措施？

是否可以采取外部措施在IP以上的某个层次保护系统？