汽車OEM正在構建高級駕駛輔助系統(ADAS)以提高安全性。ADAS系統必須滿足嚴格的性能、功耗和成本要求，因此構成ADAS和乘客安全系統的SoC集成了先進的通信協議，并建立在領先的finFET工藝技術之上。

這類新型ADAS SoC的設計人員面臨著挑戰：他們必須滿足ISO 26262功能安全要求，同時縮短設計和產業化周期。

此外，ADAS SoC正在從分布在車輛周圍的電子控制單元(ECU)中整合到集中式域控制器模塊中。

域控制器可用于車聯網、舒適或動力系統域，如圖1所示。將功能整合到域控制器中，導致以前的分布式功能被合并到邏輯門數量更多、性能更高的集中式SoC中，這些SoC必須支持不同類型的串行和并行接口。

由于靜電放電(ESD)等外部因素可能導致單點故障，所以設計人員正在認真選擇滿足或超過SoC所需的功能安全、可靠性和質量指標的IO庫。

圖1：汽車系統正在從分布式ECU轉變為集中式域控制器，對單點潛在故障提出了更高的要求。

通用IO (GPIO)和專用IO（I2C、I3C、LVDS）是集中式域控制器的重要組成部分，因為它們提供了芯片之間的標準接口。

IO庫作環繞在SoC周圍，可實現與電路板的電源和信號的連接，并為SoC提供關鍵保護，防止ESD或閂鎖等電氣干擾。

圖2是一個常見的域控制器案例研究，其中CPU通過I2C與數字傳感器連接，并通過GPIO與模擬傳感器連接。

圖2：域控制器使用各種IO在傳感器和芯片之間進行通信。

本文主要介紹GPIO在汽車應用中的使用，以及符合汽車標準的GPIO解決方案如何幫助設計人員加快產品上市時間并降低風險。

實現ESD目標

GPIO的ESD認證包括人體模型(HBM)>2KV、充電放電管理(CDM)>5A和閂鎖(+-100mA)。這三個都必須符合AEC-A100-002-REV-E，這是按照ANSI/ESDA/JEDEC JS-001規范完成的。

為了符合要求，HBM需要在不跳過的情況下滿足500V、1kV和2kV的應力水平。

此外，設計人員在室溫和高溫下，在ESD之前和之后執行測試。

測試對設備規格進行全面檢查，包括完整的直流參數和功能測試，因此總體測試覆蓋率很重要。

為確保閂鎖合規性，設計人員在最高環境工作溫度下執行AEC合規測試。

為了通過這套全面測試，SoC的GPIO庫需要支持ESD結構，以管理內核和電源電壓之間的不同場景。例如：

·芯片核心區域的VDDC和VSSC焊盤之間的ESD保護（內部電源到核心）

·VDDIO和VSSIO焊盤之間的ESD保護（外部供電）

·充放電保護跨域電源

·芯片核心區任意兩個地之間的ESDBUS保護

在發生ESD沖擊的情況下，ESD二極管將開啟并創建一個低阻抗路徑，通過將電流轉移到地來限制峰值電壓和電流，從而保護SoC。

為了防止ESD擊穿，GPIO需要配備特殊的ESD鉗位，如圖3所示。圖3顯示了汽車級GPIO的ESD保護方案。

GPIO包括一個傳統的RC觸發鉗位和一個位于焊盤和接地之間的N二極管，以支持負沖擊ESD。

背靠背二極管支持跨域ESD。除GPIO外，此ESD保護方案還可用于I2C、I3C和LVDS等特殊IO。

圖3：汽車級GPIO IP的ESD保護方案。

在系統級別，為了降低ESD風險，SoC設計人員可能會使用其他技術，例如旁路電容器、共模濾波器、鐵氧體磁珠和/或隔離電阻器。

達到/超過汽車可靠性和質量標準

汽車電子委員會(AEC)在AEC-Q100規范中定義了汽車IC的可靠性測試。AEC-Q100定義了基于失效機制的壓力測試資格。對于SoC，它定義了由壓力測試驅動的最低資格要求，并參考了資格測試條件。

為了滿足AEC-Q100標準并堅持特定應用的功能安全需求，汽車SoC團隊必須設計到一定的溫度等級。0級是最嚴格的標準，規定環境溫度范圍為-40oC至+150oC。需要達到0級的SoC必須集成IO庫，這些庫已經在這個廣泛的溫度范圍內進行了表征，并具有足夠的設計裕度，以提供低缺陷部件/百萬(DPPM)可靠性。

除了AEC-Q100之外，一些代工廠還要求IP滿足他們自己的驗收標準，該標準規定了基于跨多個工藝拆分的最小樣本數量的統計分析對零件進行驗證和鑒定的要求。根據代工廠對特定工藝的建議，IP供應商可以通過5 sigma設計余量等技術增強其汽車級GPIO，并在設計中使用Monte Carlo仿真，以適應工藝、電壓和溫度的變化。

故障模式和影響分析(FMEA)使安全認證更加復雜。為降低他們自己的設計和SoC認證風險，設計人員應集成經過ASIL B或ASIL D ISO 26262認證并創建用于安全關鍵型應用的IP，同時滿足AEC-Q100要求。經認證的GPIO IP安全包包括故障模式影響和診斷分析(FMEDA)報告、安全手冊和認證報告，以加快安全評估并幫助達到客戶目標ASIL。這些報告提供了滿足更高安全要求的證據，同時降低了硬件元件系統故障的違規風險。

結論

汽車趨勢正在推動開發具有復雜ADAS處理器的集中式域控制器，這些處理器執行多種功能并與各種不同的輸入接口。為了在保護乘客安全的同時支持汽車應用，IO庫必須保護域控制器SoC免受ESD等攻擊者的影響。為了滿足嚴格的ESD目標和汽車要求，IP供應商必須采用特殊的IO設計技術：AEC-Q100和JEDEC等標準要求額外的IO設計和測試要求。?

審核編輯：劉清