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概述 本系列的上、下两篇文章探讨了防反保护电路的设计。 上篇 介绍了各种脉冲干扰以及在汽车电子产品中设计防反保护电路的必要性，同时回顾了 PMOS 方案保护电路的特性；本文为下篇，将讨论使用 NMOS 和升降压驱动 IC 实现的防反保护电路。 NMOS 设计具有 NMOS 和驱动IC 的防反保护电路时，NMOS 需放置在高边，驱动IC也从高边取电，这里将产生一个大于输入电压 (VIN) 的内部电压，给 NMOS 提供 (VGS)驱动供电。 根据驱动电源产生的原理，驱动IC可以采用电荷泵方案或升降压（Buck-Boost）方案。具体描述如下： 电荷泵防反保护方案 : 电荷泵方案具有较低的总体BOM 需求，从而可降低成本。该方案非常适合小电流应用，例如汽车 USB 供电设备 (PD) 大功率充电模块。 升降压防反保护方案 : 升降压方案提供强大的驱动能力和出色的EMC 性能。该方案非常适合大电流和高性能环境，例如汽车域控制器和音响系统。 图 1 显示了电荷泵方案与升降压方案的特性。 图 1：电荷泵方案与升降压（Buck-Boost）方案 驱动IC的工作原理 图2显示了具有电荷泵拓扑的NMOS驱动简化工作原理图。 图 2：电荷泵拓扑的工作原理图 CLK周期描述如下： S1和S2导通 C0 由内部对地电压源充电 S3和S4导通 C1 由 C0 上的电压充电 C0 是具有快速充电和放电速度的小电容，而 C1 则是具有大负载能力的大电容。因此，通过S1和S2（以及S3和S4）的频繁切换， C0 上的电荷可以不断传输给 C1，而 C1 的负端连接至电池电压 (VBATT)。最终，NMOS由一个大于 VBATT 的电压驱动。 图 3 显示了具有升降压拓扑的 NMOS 驱动简化工作原理图。 图 3：升降压拓扑的工作原理图 在升降压拓扑中，功率MOSFET放在低边。当 S_BAT 导通时， VIN 对电感充电，电感电压为负；当S_BAT关断时，电感将通过二极管释放能量，电感电压为正，并为 C1充电。当 C1 上的电压超过 VBATT 时，NMOS栅极将被驱动。 相关内容 升降压驱动 IC 的优势 在防反保护驱动 IC 中采用升降压驱动 IC 有两个明显优势：增强驱动电流能力并提高 EMC 性能。 驱动电流能力 升降压拓扑可以提供更大的驱动电流能力和更快的输入干扰响应能力。例如，输入叠加100kHz，峰峰值2V条件下进行实测。测量结果如图 4所示，其中包含输入防反保护 MOSFET 的源极电压（粉色）、通过防反保护 MOSFET 的漏极电压（浅蓝色）、MOSFET 驱动 VGS （红色）和负载电流（绿色）。 图 4：升降压拓扑的测量波形（叠加交流纹波脉冲 = 100kHz，峰-峰值 = 2V） 波形显示出，驱动IC实时监测了NMOS的漏极与源极。在测试条件下，输入电压 （VIN） 与源极电压 (VS)一致，而系统电压则与漏极电压 (VD)一致。 如果 VS 低于 VD，则 VIN 低于系统电压，MOSFET 驱动关断，体二极管提供防反保护功能防止电容电流回流；如果 VS 超过 VD，则 VIN 超过系统电压，MOSFET 驱动导通，可避免体二极管导通影响效率。 如果采用电荷泵型防反驱动，由于其驱动电流能力不强，在输入电压快速波动时，容易产生门极驱动脉冲丢失或者常开的异常现象。 我们对电荷泵防反保护电路进行测量。测量结果如图 5所示，其中包括防反保护 MOSFET 的输入源极电压（黄色）、输出漏极电压（红色）、驱动 VGS（绿色）和负载电流（蓝色）。 图 5：电荷泵拓扑的测量波形 当栅极驱动脉冲丢失时，MOSFET不会被驱动。与此同时，体二极管导通将导致大量热损耗。而且在导通时，将产生较大的充电电流尖峰。 当栅极驱动脉冲常开的时间内，MOSFET 通常也会导通。与此同时，电解电容会反复充放电，从而导致发热严重。 提升EMC 性能 升降压拓扑还可以提升 EMC 性能。电荷泵虽然没有电感，但它是一种容性开关电源，由于效率低需要极高的工作频率。通常情况下，集成电容小（在 pF 范围内）而外部电容大（在 µF 范围内）。因此，电荷泵的开关频率 (fSW) 常超过 10MHz，这种高频率将导致 EMI 问题。 采用升降压驱动 IC 可提高效率。通过采用固定峰值电流控制，较小负载对应较低的 fSW。因此，升降压拓扑可提升 EMC 性能（参见图 6）。 图 6：升降压拓扑的恒定峰值电流 MPQ5850-AEC1简介 MPQ5850-AEC1 是一款智能二极管控制芯片，它可以替代肖特基二极管，驱动外部 NMOS实现反向输入保护。该器件采用 TSOT23-8 封装，非常适合汽车冷启动条件。 图 7 对电荷泵拓扑与采用升降压拓扑的MPQ5850-AEC1进行了EMC 性能比较。左边的电荷泵拓扑可能会存在潜在的EMC 问题，而右边的MPQ5850-AEC1 方案能完美通过国标等级５测试。 图7：电荷泵拓扑与MPQ5850-AEC1的比较 结语 采用最佳的防反保护电路设计对通过各种脉冲干扰测试标准非常重要。与传统的 PMOS电路相比，NMOS 电路提高了驱动电流能力和 EMC 性能。MPS的 MPQ5850-AEC1 可提供反向输入保护功能并满足EMC标准。欲了解更多详情，请浏览MPS行业领先的 负载开关和控制器相关页面，这些产品均以紧凑的封装提供了易于使用且安全的解决方案。 来源：MPS

概述 汽车电源系统常在极为恶劣的环境下运行，数以百计的负载挂在汽车电池上，需要同时确定负载状态的汽车电池可能面临极大的挑战。当负载处于不同工作条件和潜在故障状态时，设计人员需要考虑电源线产生的各种脉冲可能带来的影响。 本系列的上、下两篇文章将探讨如何设计防反保护电路。本文为上篇，我们将介绍汽车电源线上的各种脉冲干扰，然后讨论防反保护电路的常见类型，并重点关注 PMOS电路； 下篇 将讨论使用 NMOS和驱动器 IC 实现的防反保护电路设计。 脉冲干扰 图 1 显示了不同应用场景下电源线上可能出现的各种脉冲类型。例如，当大功率负载突然关闭，电池电压可能产生过冲；当大功率负载突然启动，电池电压将会跌落。当感应线束突然松动，负载上将产生负电压脉冲。而发电机运行时，交流纹波会叠加在电池上。还有使用跳线时，备用电池可能使用错误，从而导致极性反接，此时电池电压极性长时间反接。 图1: 不同应用场景下的脉冲类型 为解决汽车电源线上可能存在的各种脉冲干扰，行业协会和主要汽车制造商已经制定了相关的测试标准来模拟电源线的瞬态脉冲。这些标准包括 ISO 7637-2 和 ISO 16750-2，以及梅赛德斯-奔驰和大众汽车的测试标准。防反保护电路作为最前端的电路，也必须满足行业测试标准。 相关内容 防反保护电路 防反保护电路包括三种基本类型，如下所述。 串联肖特基二极管 这种电路通常用于 2A 至 3A 之间的小电流应用，其电路简单且成本低，但功耗较大。 在高边串联PMOS 对于电流超过 3A 的应用，可以将PMOS放置在高边。这种驱动电路相对简单，但缺点是PMOS成本较高。 当电源正接时，PMOS沟道导通，管压降小，损耗和温升低。 当电源反接时，PMOS沟道关断，寄生体二极管实现防反保护功能。 在低边串联NMOS 这种电路需要在低边放置一个 NMOS。简化的栅极驱动电路通常会采用高性价比的 NMOS。该电路的功能类似于放置在高边的 PMOS。但是，这种防反保护结构意味着电源地和负载地是分开的，这种结构在汽车电子产品设计中很少使用。 图 2 对这几种防反保护电路进行了总结。 图 2：防反保护电路的类型 本文将重点介绍PMOS防反保护电路。 PMOS 大多数传统的防反保护电路均采用 PMOS，其栅极接电阻到地。如果输入端连接正向电压，则电流通过 PMOS 的体二极管流向负载端。如果正向电压超过 PMOS的电压阈值，则通道导通。这降低了 PMOS 的漏源电压 (VDS)，从而降低了功耗。栅极与源极之间通常会连接一个电压调节器，以防止栅源电压 (VGS) 出现过压情况，同时还可以保护 PMOS在输入功率波动时不会被击穿。 但基本的 PMOS 防反保护电路也有两个缺点：系统待机电流大和存在反灌电流。下面将对此进行详述。 系统待机电流较大 当PMOS用于防反保护电路时， VGS 和保护电路（由齐纳二极管和限流电阻组成）周围会存在漏电流。因此，限流电阻 (R) 会对整体待机功耗产生影响。 限流电阻的取值不应太大。一方面，普通稳压管的正常钳位电流基本为mA级，如果限流电阻过大，齐纳二极管不能可靠导通，钳位性能会明显降低，从而导致 VGS 出现过压风险。另一方面，限流电阻太大意味着PMOS 驱动电流较小，这会导致较慢的开/关过程。如果输入电压(VIN) 发生波动，PMOS可能会长时间工作在线性区域（在该区域的 MOSFET 未完全导通），由此产生的高电阻会导致器件过热。 图 3 显示了传统 PMOS 防反保护电路中的待机电流。 图 3：传统 PMOS 防反保护电路中的待机电流 存在反灌电流 在进行 ISO 16750 输入电压跌落测试时，PMOS 在 VIN 跌降时保持开路。在这种情况下，系统电容电压会使电源极性反转，从而导致系统电源故障并触发中断功能。而在叠加交流电输入电压测试中，由于 PMOS 完全开路，将导致电流回流。这会迫使电解电容反复充电和放电，最终导致过热。 图 4 显示了输入电压的跌落测试。 图 4：输入电压跌落测试 结语 本文回顾了传统 PMOS 防反保护电路及其主要缺点，包括大的系统待机电流和反灌电流。 本系列的 下篇 将讨论采用 NMOS 和升降压驱动 IC 设计防反保护电路的优势。 来源：MPS

2023年8月24-26日， 中国智能汽车及自动驾驶博览会 在上海举办。凭借在仿真测试及仿真云平台领域的技术积累和创新能力，虹科 荣获 ICVS 金猴奖“中国自动驾驶百强企业”称号 。 “ICVS金猴奖——中国自动驾驶百强企业”的设立，旨在推动智能汽车及自动驾驶行业的产业交流，为企业提供展示最新产品以及前沿技术的舞台。本次获奖不仅是 对虹科深耕汽车行业十余年综合能力的认可，彰显了虹科的品牌实力和行业价值 ，更是激励我们不忘初心、勇于创新的动力。 虹科在过去十余年一直 深耕汽车科技行业 ，始终致力于为行业客户提供创新及前端的产品和解决方案，为科技社会发展助力加码。 雅名特作为旗下子公司，专注于自动驾驶领域。我们提供 高性能的数据采集、记录、传输方案 ，以及 基于视觉的自动驾驶和ADAS系统的开发和测试 。同时深入了解客户需求，结合行业最新技术和趋势，为客户提供最优化的自动驾驶解决方案。 未来，雅名特自动驾驶将会继续发挥卓越的创新能力，坚守“ 通过创新帮助客户成功 ”的使命，以更优质的产品和更完善的解决方案，助力客户在自动驾驶领域取得更大的突破。 虹科是一家汽车科技行业的先驱企业，已经沉淀了十年以上的经验。雅名特是虹科旗下子公司，专注于自动驾驶领域，展现了卓越的创新能力和深厚的行业理解。 我们以数据为驱动力，提供高性能的数据采集、记录、传输方案，针对各种驾驶场景进行精准的仿真模拟，以及对大量自动驾驶数据进行高效、高质量处理。我们的一站式服务能够满足自动驾驶领域研发测试的全流程需求。我们深入了解客户需求，结合行业最新技术和趋势，为客户提供最优化的自动驾驶解决方案，助力客户在自动驾驶领域取得更大突破。

全国巡回 / 技术交流 / 以技会友 成都：2023.9.2~9.3 主办单位 广州虹科电子科技有限公司 Tech Gear 免拆诊断学院 支持单位 英国Pico Technology Ltd. 上周末（8月5、6号）虹科Pico汽车示波器技术交流会在广州圆满举办！在本次技术交流会上，学员们不仅学到了关于汽车示波器的基础知识，与汽车示波器专家戈华飞老师交流、分享经验，还亲自动手用pico示波器实车检测。让我们一起来回顾培训期间的精彩瞬间吧！ 理论讲解：汽车示波器原理与使用技巧 戈老师正在授课 本次技术交流会吸引了很多汽车维修行业的从业人员和汽车爱好者，活动以技术为核心，旨在提升参与者的汽车示波器应用水平，并增进对汽车电子系统的理解。 全神贯注投入课堂的学员们 在技术交流会上，戈老师深入浅出地讲解了汽车示波器的原理、使用方法以及常见故障排查技巧。通过理论结合实践的教学方式，学员们不仅可以掌握汽车示波器的基本使用技能，还能够更好地应用于实际工作中。 此外，技术交流会还有很多现场互动，学员们可以通过与戈老师交流提问，解决自己在使用汽车示波器过程中遇到的问题。这种互动式的学习方式不仅让学员们更好地理解了知识，还增强了学习的趣味性和实用性。 实践环节：上手体验示波器修车 虹科技术工程师为学员悉心讲解 这种经验分享不仅让参与者们获得了宝贵的经验和知识，还促进了行业内专业技术的交流与合作。学员们可以通过交流和互动的方式，拓宽自己的眼界，了解最新的技术发展趋势，并结识更多志同道合的朋友。 圆满结束：合影留念、颁发证书 大合照 一场意义深刻的免拆诊断汽修之旅 虹科希望能让广大汽修从业者们明白： 汽车示波器作为一种重要的车辆电子诊断工具，其在故障排查和维修过程中的作用不可忽视。 汽车示波器可以进行高速数据采集和实时波形显示，帮助技师们准确地观察和分析车辆故障现象。通过仔细观察示波图形，技师们可以迅速定位故障点，更加高效地解决问题。 汽车示波器还可以与其他诊断设备进行联动，实现更加全面和准确的故障诊断过程。技师们可以通过示波器的数据输出功能，将采集到的数据与其他设备进行比对，进一步确定故障的原因和位置。 更新你的汽修思维，学会使用虹科Pico汽车示波器，让你真正进阶为大师级别，获得竞争力！ 成都站正在火热报名中 快填写报名表加入吧！ 技术交流-会成都站 时间与地点 ●成都（2023年9月2-3日（周末）） ●其它城市（敬请期待） 开班信息 ●人数：20人（满10人即开班） ●课程时长：2天 费用 ●1999元/人 ●早鸟价999元/人（开班前14天（含第14天）报名可享受早鸟价） ●3人以上（含3人）团购999元/人 除了交流学习，您还能获得： 虹科福利礼包 2顿午餐与茶歇 《诊断案例集锦》1本 教材1本 虹科免拆诊断文化衫1件 TG诊断学院培训课优惠券1张 证书发放 由虹科和TG联合颁发的示波器诊断技能认证证书

什么是域控制器？ 过去十多年的汽车智能化和信息化发展产生了一个显著结果就是 ECU 芯片使用量越来越多。从传统的引擎控制系统、安全气囊、防抱死系统、电动助力转向、车身电子稳定系统；再到智能仪表、娱乐影音系统、辅助驾驶系统；还有电动汽车上的电驱控制、电池管理系统、车载充电系统，以及蓬勃发展的车载网关、 T-BOX 和自动驾驶系统等等。 传统的汽车电子电气架构都是分布式的（如下图 2-1 ），汽车里的各个 ECU 都是通过 CAN 和 LIN 总线连接在一起，现代汽车里的 ECU 总数已经迅速增加到了几十个甚至上百个之多，整个系统复杂度越来越大，几近上限。在今天软件定义汽车和汽车智能化、网联化的发展趋势下，这种基于 ECU 的分布式 EEA 也日益暴露诸多问题和挑战。 图 2-1 汽车分布式 EEA 为了解决分布式 EEA 的这些问题，人们开始逐渐把很多功能相似、分离的 ECU 功能集成整合到一个比 ECU 性能更强的处理器硬件平台上，这就是汽车“域控制器（ Domain Control Unit ， DCU ）”。域控制器的出现是汽车 EE 架构从 ECU 分布式 EE 架构演进到域集中式 EE 架构（如图 2-2 所示）的一个重要标志。 域控制器是汽车每一个功能域的核心，它主要由域主控处理器、操作系统和应用软件及算法等三部分组成。平台化、高集成度、高性能和良好的兼容性是域控制器的主要核心设计思想。依托高性能的域主控处理器、丰富的硬件接口资源以及强大的软件功能特性，域控制器能将原本需要很多颗 ECU 实现的核心功能集成到进来，极大提高系统功能集成度，再加上数据交互的标准化接口，因此能极大降低这部分的开发和制造成本。 对于功能域的具体划分，各汽车主机厂家会根据自身的设计理念差异而划分成几个不同的域。比如 BOSCH 划分为 5 个域：动力域（ Power Train ）、底盘域（ Chassis ）、车身域（ Body/Comfort ）、座舱域（ Cockpit/Infotainment ）、自动驾驶域（ ADAS ）。这也就是最经典的五域集中式 EEA ，如下图 2-2 所示。也有的厂家则在五域集中式架构基础上进一步融合，把原本的动力域、底盘域和车身域融合为整车控制域，从而形成了三域集中式 EEA ，也即：车控域控制器（ VDC ， Vehicle Domain Controller ）、智能驾驶域控制器（ ADC ， ADAS\AD Domain Controller ）、智能座舱域控制器（ CDC ， Cockpit Domain Controller ）。大众的 MEB 平台以及华为的 CC 架构都属于这种三域集中式 EEA 。 图 2-2 域集中式 EE 架构 域控制器市场概述 2018 年，基于德尔福提供的域控制器技术，奥地利 TTTech 公司开发的 zFAS 控制器率先应用在奥迪 A8 当中。伟世通公司则推出了 SmartCore 域控制器，集成信息娱乐、仪表板、信息显示、 HUD 、 ADAS 等功能。这些产品开创了商用功能域控制器产品之先河，全球各大 Tier 1 供应商纷纷跟进，整个域控制器市场逐渐发展起来。 在国内市场，华为、德赛西威、航盛电子、东软等企业也推出了 DCU 解决方案，并得到了国内车企的采用。比如， 2020 年小鹏汽车推出的智能轿跑 P7 就采用了德赛西威基于英伟达 Xavier 打造的自动驾驶域控制器产品—— IPU03 。 当前，整个业界对 DCU 市场都有非常乐观的预期。据佐思产研的预测， 2025 年全球汽车 DCU （座舱 + 自动驾驶）出货量将超过 1400 万套， 2019-2025 期间年平均增长高达 50.7% 。 图 2-3 全球域控制器市场预测 整个汽车行业普遍认为，域控制器是汽车电子行业未来竞争门槛最高的部分，因此利润也最高，芯片厂商和核心算法供应商将会受益。 ( 一 ) 域控制器市场快速增长背后的驱动因素 更多更好的 ADAS 功能和智能座舱与信息娱乐功能一直是推动域控制器市场快速增长的主要因素，这些新功能能明显提高整车的科技感和用户体验，因此也是主机厂开发新车型时的投入重点。 L1 到 L2+ 级别之间的 ADAS 应用是这几年发展非常快，很多功能都正在快速普及，比如：停车辅助、车道偏离预警、自适应巡航、碰撞避免、盲点侦测、驾驶员疲劳探测等。 域控制器需要一颗性能更强、集成度越高的主控处理器来作为其大脑，更多原本通过分离 ECU 实现的功能现在可以放到域主控处理器上来实现，也因此就能更加节省功能域里所需的 ECU 用量和其它硬件资源。更高的集成度可以更主机厂供应链管理实现 ADAS 域控和相关零部件平台化和标准化的要求。 ( 二 ) 对域控制器供应链的影响 汽车 E/E 架构的演进和发展，也深刻影响了主机厂和汽车电子供应商的供应关系。主机厂的核心竞争力从以前的机械制造为主，全面转向软件和算法为重点。预计未来整车厂与 Tier 1 供应商之间将可能有两种合作模式： 其一， Tier 1 负责域控制器硬件设计和生产，以及中间层 Middleware 软件部分。整车厂负责自动驾驶软件部分。 Tier 1 的优势在于以合理的成本将产品生产出来并且加速产品落地，因此整车厂和 Tier 1 进行合作生产方式是必然，前者负责自动驾驶软件部分，后者负责硬件生产、中间层以及芯片方案整合。这种模式下，在项目立项时，整车厂又可能跨过 Tier 1 直接与芯片厂商确定方案的芯片选型。 其二， Tier 1 自己与芯片商合作，做方案整合后研发中央域控制器并向整车厂销售，例如大陆 ADCU 、采埃孚 ProAI 、麦格纳 MAX4 等。 2.1 智能座舱域控制器 座舱智能化的实质是基于汽车驾驶舱中的人机交互场景，将驾驶信息与娱乐信息两个模块进行集成，为用户提供高效的、直观的、充满未来科技感的驾驶体验。智能座舱的设计诉求主要是用于提升用户的驾乘体验，同时还要保证用户驾乘的安全性和舒适性，最终实现汽车作为人们工作和家庭场景以外的第三生活空间这一终极目标。 智能座舱域包括 HUD 、仪表盘（ Cockpit ）和车载娱乐信息系统（ In-Vehicle Infotainment ，简称 IVI ）三个最主要的组成部分。 HUD 是非常实用的功能，将 ADAS 和部分导航功能投射到挡风玻璃上，诸如 ACC 、行人识别、 LDW 、路线提示、路口转弯提示、变道提示、剩余电量、可行驶里程等。 HUD 将很快会演变为 AR HUD ，在 L3 和 L4 时代成为标配。 进入 L3 时代，驾驶员状态监测（ Driver Status Monitor ， DMS ）将成为必备的功能，包括：面部识别、眼球追踪、眨眼次数跟踪等将引入机器视觉和深度学习算法。而 L4 时代则必备 V2X （ Vehicle to everything ）。 另外，多模态交互技术的蓬勃发展将会极大改变用户与汽车的交互模式。基于语音识别功能的语音交互技术越来越普及，常用于跟 IVI 系统的交互操作。进一步还能通过语音来对驾驶员进行情绪状态分析。当 DMS 系统检测到驾驶员昏昏欲睡时，系统可以通过播放音乐或者释放香味来唤醒驾驶员；基于多场景下的汽车座舱多模态交互技术未来一定会重新定义人机交互技术的发展。 所有这些智能座舱新技术的发展，都将推动对座舱域计算资源需求的暴增。 智能座舱域控制器领域，全球 Tier 1 厂商主要包括：博世、大陆汽车、哈曼、伟世通和 Aptiv （安波福）等。中国本土企业主要有德赛西威、航盛和东软睿驰等。 表 2-1 全球主要座舱域控制器厂商信息 2.2 ADAS 域控制器 ADAS 域控制器通常需要连接多个摄像头、毫米波雷达、激光雷达等传感器设备，要具备多传感器融合、定位、路径规划、决策控制、无线通讯、高速通讯的能力，要完成包含图像识别、传感器数据处理等诸多功能，因此要完成大量运算，域控制器一般都要匹配一个核心运算力强的处理器，能够提供自动驾驶不同级别算力的支持，目前业内有 NVIDIA 、华为、瑞萨、 NXP 、 TI 、 Mobileye 、赛灵思、地平线等多个方案。 自动驾驶技术目前是全球科技行业最前沿的方向。 L1 到 L2+ 级别的辅助驾驶技术和功能已经日趋成熟，搭载 ADAS 功能和应用的很多车型开始进入大规模量产。可以遇见 L1/L2 级别 ADAS 功能的市场渗透率将快速提升，而 L3/L4 级别自动驾驶系统仍处于小规模原型测试阶段。 当今的自动驾驶行业，中国市场绝对是主力。今年中国 L2 的搭载量预计突破 80 万，中国品牌占据绝大部分份额。未来中国市场 ADAS 功能的渗透率还将持续快速提高，中低端汽车所配置的 ADAS 功能将逐步增多。根据艾瑞咨询研究报告显示，预计 2025 年 ADAS 功能在乘用车市场可以达到 65% 左右的渗透率。 L3 级别的高速自动领航 HWP 功能和 L4 级别的 AVP 自动泊车功能，目前车型渗透率较低，未来提升空间较大。 图 2-4 中国 ADAS 功能市场渗透率预测 ADAS 域控制器正在从过去的分布式系统架构演变到域集中式架构。过去一套 ADAS 系统，要有好几个独立的 ECU 才能实现，比如车道偏移和交通识别 ECU 、前向碰撞预警 ECU 、泊车辅助 ECU 等。现在有了功能强大的集中式 ADAS 域控制器后，一个域控制器就实现了所有功能。系统的软硬件复杂度大大降低，可靠性也得到了提高。 目前业内提供 ADAS 域控芯片平台的有 NVIDIA 、华为、瑞萨、 NXP 、 TI 、 Mobileye ，以及国内本土的地平线和黑芝麻等多个方案。下表 2-2 总结了全球主要 ADAS 域控制器厂商及其客户和伙伴信息。 表 2-2 全球主要 ADAS 域控制器厂商信息 域控制器发展趋势 域控制器的兴起对传统的汽车 MCU 厂商造成了极大的挑战，“因为 MCU 使用量将大大减少，传统的 MCU 产品其演进路线将不复存在”。 在分布式 ECU 时代，计算和控制的核心是 MCU 芯片，传输的基础核心是基于传统的 CAN 、 LIN 和 FlexRay 等低速总线。但在域控制器时代，高性能、高集成度的异构 SoC 芯片作为域的主控处理器，将成为域控制器的计算与控制的核心芯片。而汽车 TSN （ Time-Sensitive Network ）以太网因为具有高带宽、实时和可靠的数据通信能力等特点，必将成为整车通信的核心基础设施，尤其是域主控处理器之间的通信主干网。 下面我们来简单分析一下域控制器以及核心的主控处理器的一些关键技术和趋势。 3.1 高性能 总的来说，对算力的需求提升一直是域控制器核心芯片发展的主要推动力。一方面原本由多个 ECU 完成的功能，现在需要依靠单一的域主控处理器来完成，并且还需要管理和控制所连接的各种传感器与执行器等。比如：底盘、动力传动系统和车身舒适电子系统的域主控处理器，其算力需求大约在 10000DMIPS-15000DMIPS 左右。 图 2-5 汽车域控制器对 CPU DMIPS 算力的需求预测 新的智能汽车，除了要更多的与人交互外，更需要大量的对环境进行感知，这就需要计算和处理海量的非结构化数据，因此座舱域和自动驾驶域都要求高性能的 CPU ，比如就座舱仪表的 CPU 算力而言，它其实跟一部高端智能手机的 CPU 算力差不多，约为 50000DMIPS 左右。此外，为了支持 L2 辅助驾驶功能或者更高级别的自动驾驶功能，需要运行很多视觉 DNN 模型算法，这就又额外需要上百 TOPS 的 AI 算力。 所以，各芯片厂商总是会尽量使用更先进的制程工艺、更先进的 CPU 核于与 NPU 核来尽量提高域主控芯片的 CPU 核心性能与 NPU 性能。 3.2 高异构性 伴随着 AI 技术在视觉领域的应用，基于视觉的自动驾驶方案逐渐兴起，这就需要在 CPU 的基础上加装擅长视觉算法的 GPU 芯片，从而形成“ CPU+GPU ”的解决方案。不过，“ CPU+GPU ”组合也并非最优解决方案，因为 GPU 虽然具备较强的计算能力，但成本高、功耗大，由此又逐步引入了 FPGA 和 ASIC 芯片。 总体来看，单一类型的微处理器，无论是 CPU 、 GPU 、 FPGA 还是 ASIC ，都无法满足更高阶的自动驾驶需求，域控制器中的主控芯片会走向集成“ CPU+xPU ”的异构式 SoC （ xPU 包括 GPU/FPGA/ASIC 等），从而能较好的支撑各种场景的硬件加速需求。 3.3 高集成度 从功能层面上，域控制器会整合集成越来越多的功能。比如动力系统域可能把发动机的控制、电机控制、 BMS 、车载充电机的控制组合在一起。有些主机厂甚至直接一步到位，将底盘、动力传动以及车身三大功能域直接整合成一个“整车控制域（ Vehicle Domain Controller ， VDC ）”。 要支持这些功能的整合，作为域控制器的大脑，域主控处理器 SoC 就需要集成尽可能多的接口类型，比如： USB 、 Ethernet 、 I2C 、 SPI 、 CAN 、 LIN 以及 FlexRay 等等，从而能连接和管理各种各样的 ECU 、传感器和执行器。 3.4 硬件虚拟化 对硬件虚拟化技术的需要主要来自两方面：（ 1 ）硬件资源的分区与隔离；（ 2 ）支持混合安全等级。 原本需要多个 ECU 实现的多个功能都整合到域控制器上后，势必会导致域控制器的软件更为复杂，这势必会导致整个软件系统的出错概率增加、可靠性下降。而且多个应用混合运行在同一个操作系统上，经常会出现故障传播（ Failure Propagation ），也就是一个应用出现问题后，会使得整个系统底层软件和硬件都处于紊乱状态，从而导致其它原本正常的应用也会开始出现故障。因此通过硬件虚拟化技术对硬件资源进行分区（ Partition ），使得各个功能对应的软硬件之间互相隔离（ Isolation ），以此保证整个系统的可靠性。 另一方面，在汽车电子系统中，通常不同的应用其对实时性要求和功能安全等级要求都不同。例如，根据 ISO 26262 标准，汽车仪表系统与娱乐信息系统属于不同的安全等级，具有不同的处理优先级。汽车仪表系统与动力系统密切相关，要求具有高实时性、高可靠性和强安全性，要求运行在底层实时操作系统上（比如 QNX ）。而信息娱乐系统主要为车内人机交互提供控制平台，追求多样化的应用与服务，以 Linux 和 Android 为主。为了实现混合安全等级的应用，实现不同的操作系统运行在同一个系统上，这就需要虚拟化技术的支持。 车载硬件虚拟化技术的核心是 Hypervisor ，它是一种运行在物理服务器和操作系统之间的中间层软件，可以允许多个不同虚机上的操作系统和应用共享一套基础物理硬件。当系统启动时，首先运行 Hypervisor ，由它来负责给每一台虚拟机分配适量的内存、 CPU 、网络、存储以及其它硬件资源等等（也就是对硬件资源进行分区），最后加载并启动所有虚拟机的客户操作系统。 一句话总结一下基于 Hypervisor 的优点：它提供了在同一硬件平台上承载异构操作系统的灵活性，同时实现了良好的高可靠性和故障控制机制 , 以保证关键任务、硬实时应用程序和一般用途、不受信任的应用程序之间的安全隔离，实现了车载计算单元整合与算力共享。 3.5 ISO 26262 功能安全 功能安全是汽车研发流程中非常关键的要素之一。随着系统复杂性的提高，来自系统失效和随机硬件失效的风险日益增加。 ISO 26262 标准制定的目的就是更好的规范和标准化汽车全生命周期中的功能安全管理和要求，包括：概念阶段、系统研发、硬件研发、软件研发、生产和操作过程、售后等环节，尤其重点在产品设计阶段如何定义和实现功能安全的目标。 载汽车功能安全标准 ISO26262-5 2018 “产品开发：硬件层面附录 D ”中对处理器单元的诊断覆盖率推荐的安全技术措施中，双核锁步 (dual-core lockstep) 、非对称冗余和编码计算是三种典型的硬件冗余技术措施。除此之外，硬件 BIST 、软硬件 Self-Test 技术、 ECC 等也是常见的提高处理器安全特性的设计措施。 图 2-6 ISO26262 标准中的功能安全芯片设计技术 双核锁步 CPU 是一种 CPU 冗余技术，在一个芯片中包含两个相同的处理器，一个作为 master core ，一个作为 slave core ，它们执行相同的代码并严格同步， master 可以访问系统内存并输出指令，而 slave 不断执行在总线上的指令（即由主处理器获取的指令）。 slave 产生的输出，包括地址位和数据位，发送到比较逻辑模块，由 master 和 slave 总线接口的比较器电路组成，检查它们之间的数据、地址和控制线的一致性。检测到任何总线的值不一致时，就会发现其中一个 CPU 上存在故障，但不会确定是哪个 CPU 故障。 这种 CPU 架构使得 CPU 自检独立于应用软件，不需要执行专门的指令集自检，实际运行的软件指令在每个时钟都进行比较，只需要测试软件用到的 CPU 资源，但这种架构不会对内存和总线进行检测，需要增加单独的检测方法以避免两个 CPU 的共模故障。 3.7 网络卸载引擎 汽车网络会存在多种通信总线。骨干网未来势必会基于 TSN 以太网来构建，但是从域主控处理器到 ECU 或者传感器之间的通信则仍然是基于传统的车载低速总线，比如： CAN 、 FlexRay 等。域主控处理器作为域控制器的核心，是所有 ECU 和传感器通信的汇聚中心。因此如果要依靠 CPU 的算力来完成不同总线间的协议转换，以及跨域通信的网络包处理的话，势必会占用宝贵的 CPU 算力资源。 因此基于硬件来实现网络协议转换处理的网络卸载引擎，对于各个域（包括中央网关）的域主控处理器是非常重要的技术。 3.7 Security 引擎 连接性（ Connectivity ）是汽车智能化发展的一个很重要的趋势，未来的汽车一定会像今天的手机一样随时保持连接到互联网中。因此如何阻止未经授权的网络访问，以保护汽车免于受到黑客的攻击，对未来的智能汽车而言就会变得极为重要。下一代硬件安全模块（ Hardware Security Module ， HSM ）正在成为下一代车载网络通信的重要基础设施之一。 HSM 对于完全的安全车载通信（ Secure Onboard Communication ， SecOC ）是必不可少的。 HSM 能确保所接收到的数据的真实性，防止攻击者绕过相关的安全接口，入侵车载网络。 基于硬件的安全模块主要解决两个问题： 密钥泄漏问题：如果密钥存储在应用程序的代码或数据中，很容易被泄漏。所以有必要增加一个硬件模块，专门存储密钥。 Crypto 算法加速：通过内核来直接进行加密或解密运算会占用大量 CPU 算力资源。因此，有必要通过硬件模块来进行加密解密算法的加速。 SHE （ Secure Hardware Extension ）标准是由奥迪和宝马公司合作制定的、针对硬件安全模块 HSM 的规范，它主要包括密码模块的硬件、硬件软件接口。这个规范已被广泛接受，很多针对汽车行业的微处理器都支持这个规范。 3.8 面向服务的软件架构 SOA ECU 原先运行的软件大多数是按照 Classic AutoSAR 规范开发的软件系统，其中的应用软件一般都是静态调度（ Static Scheduling ）模式的，也即在系统运行时，程序中不同功能的函数按照事先定义好的排序文件依次调用、逐个运行。静态调度的优点是资源分配问题都是事先安排好的，车辆量产后就不会再改变，每个功能对应的函数代码具体运行时间也被提前锁定，是确定性的。因此这种设计对于汽车上很多对功能安全要求苛刻的场景是非常适合的。比如：决定安全气囊是否打开的功能函数就是固定地每隔几毫秒运行一次，以便紧急情况下可以及时打开。 承载计算和控制的底层硬件从分散的多个 ECU 集中到多核、异构的高性能域主控处理器后，相应的软件也会从分散向集中、从简单向复杂、从静态向动态进化。下图 2-7 显示了以后汽车域控制器上的典型软件架构： 图 2-7 域控制器上基于空分虚拟化技术的典型软件架构 操作系统层：最底层利用 Hypervisor 虚拟化技术对硬件资源进行分区 (partition) ，从而可以在每个虚机运行不同的操作系统。比如在上图中，虚机 VM1 中运行兼容 POSIX 实时操作系统标准（比如 PSE 52 ）的 RTOS ， RTOS 上通常要承载功能安全相关的应用和服务；虚机 VM2 中运行 Linux 这种完全 POSIX 标准的分时操作系统，上面通常运行管理相关的功能和服务；虚机 VM3 中运行的可能是原来在 ECU 上运行的 Legacy 应用。 中间件层：操作系统是不做任何与 “车”特定相关工作的。为了让域主控处理器在汽车场景下使用，需要有很多软件或者中间件用于让域控制器满足汽车的电源管理标准、网络管理标准以及诊断标准等；车载域控制器需要比一般工业嵌入式系统有更高的可靠性要求，这样就需要在计算机 OS 基础上再附加对存储和通讯等各方面的安全保护和容错机制；同时，位了让车载域控制器能够在整车 EE 架构下运行，还需要提供时钟同步、日志跟踪以及服务管理和发现等功能。 Adaptive AutoSAR 规范定义了运行在 Linux 或者完全兼容 POSIX 1003.1 标准 RTOS 上的这一层与“车”相关的中间件标准；而传统运行在 POSIX 子集的 RTOS 或者 BareMetal 模式的中间件规范则由 Classic AutoSAR 标准定义。 应用层：上层应用基于 AutoSAR 标准的中间件来进行开发。随着汽车智能化和网联化相关的功能越来多，上层应用软件也越来越复杂。位了降低单个应用的整体复杂性，我们可以借鉴互联网的面向服务架构（ SOA ）的软件设计思想，将一个复杂应用拆分多个服务。每个服务实现得尽可能小，尽量实现成无状态方式的服务，以利于整个系统的开发、测试和软件重用。服务与服务之间通过事件或者消息总线（发布 / 订阅工作模式）来进行通信，并降低互相之间的耦合度。通过服务配置来管理服务之间的依赖性、服务的部署和启动，以及服务的健康状态检测等。 汽车以太网给车载系统通信带来一个革命性的变化，在中央计算式汽车 EE 架构下，整个车载系统可以被看作是一个分布式网络系统：中央计算平台是一个小型服务器集群，区域计算平台是边缘计算节点。在互联网或者大型分布式系统中， SOA 架构设计理念已经被广泛使用了。因此当 IP 网络技术被广泛应用于汽车后，很多在互联网或者分布式计算中已经很成熟的软件技术，自然会被借鉴到新的汽车软件架构设计中来，比如： RPC 技术、事件 / 消息总线、 RESTful API 设计等。 大型互联网数据中心中的服务器集群动辄几百、上千台服务器，每秒百万、千万级别的并发。车载系统尽管可以被看作是一个分布式网络系统，但是它却没有互联网大型服务器系统的高并发特征，相反，它更注重通信的实时性和可靠性。 车载系统在物理上是向集中式发展的，也就是原来通过多个分散 ECU 来实现的功能，渐渐集中到几个主要的高性能域控制器上。因此，尽管在软件设计上，我们会尽量按照 SOA 的思路拆分成一个一个小的服务，但是这些服务在部署上其实是集中式的。鉴于这种物理部署上的“集中”与运行时的“分布式”并存的特点，因此我们可以通过一系列技术手段来优化服务与服务之间的通信延迟（比如：通过共享内存技术）。这是车载分布式系统与互联网强调高并发特性的分布式系统之间另一个显著的差别。 小结 域集中式 EE 架构会是未来相当长一段时间占主要地位的汽车 EE 架构，域控制器作为域集中式 EE 架构的核心，会在整个汽车产业链中占据越来越重要的地位。其相应的芯片和硬件方案、操作系统和算法等将会成为整个产业链各上下游厂家的争夺焦点。 关注公众号“优特美尔商城”，获取更多电子元器件知识、电路讲解、型号资料、电子资讯，欢迎留言讨论。