使用 GPIO 满足汽车功能安全要求

简介

汽车 OEM 正在构建先进的驾驶员辅助系统 (ADAS)，以提高安全性。ADAS 系统必须满足严格的性能、功耗和成本要求，因此构成 ADAS 和乘客安全系统的片上系统 (SoC) 集成了高级协议，并基于领先的 FinFET 工艺技术构建而成。这一新型 ADAS SoC 的设计者面临的难题在于，必需满足 ISO 26262 功能安全要求，同时还要缩短设计和成熟周期。此外，ADAS SoC 正在从散布在车辆周身的分布式电子控制单元 (ECU)，逐渐向集中式域控制器模块整合。如图 1 所示，域控制器可用于互联系统、舒适系统或动力系统。随着将功能整合到域控制器，以前零散分布的功能被合并到门数更大的高性能集中式 SoC 中，而且该 SoC 必须支持不同类型的串行和并行接口。由于静电放电 (ESD) 等外部侵害因素可能导致发生单点灾难性故障，因而设计师会对 IO 库精挑细选，以期能够达到或超过 SoC 所需的功能安全性、可靠性和质量标准。

实现 ESD 目标

GPIO 的 ESD 鉴定标准包括人体模型 (HBM) > 2KV、充电器件模型 (CDM) > 5A 和闩锁效应 (+-100mA)。以上三项都必须符合 AEC-A100-002-REV-E 要求，根据 ANSI/ESDA/JEDEC JS-001 规范进行鉴定。为符合此要求，HBM 需要满足在承受 500V、1kV 和 2kV 的电压水平时无脉冲跳跃的要求。此外，设计师会在 ESD 放电前后，分别在室温和高温下执行通过/失败测试。测试会全面检查设备规格，包括全面的直流参数和功能测试，因此总体测试覆盖率很重要。为确保闩锁效应合规，设计人员在最高环境工作温度下执行 AEC 鉴定测试。

为了通过这套全面的测试，SoC 的 GPIO 库需要支持 ESD 结构，以应对不同的内核和电源电压场景。例如：

• 芯片内核区（内部电源到内核）VDDC 和 VSSC PAD 之间的 ESD 保护
• VDDIO 和 VSSIO PAD 之间的 ESD 保护（外接电源）
• 跨域电源充电放电保护
• 芯片内核区任意两处接地之间的 ESDBUS 保护

发生 ESD 释放时，ESD 二极管将接通并形成低阻抗路径，通过将电流分流到接地来限制峰值电压和电流，从而保护 SoC。为保护 GPIO 不被 ESD 破坏，需配备特殊的防静电夹，如图 3 所示。图 3 显示了汽车级 GPIO 的 ESD 保护方案。GPIO 在 PAD 和接地之间包含一个常规 RC 触发器夹和一个 N 型二极管，以支持负 zap ESD。背靠背二极管支持跨域 ESD。除了 GPIO 以外，该 ESD 保护方案还可用于 I2C、I3C、LVDS 等专用 IO。