【導讀】合理的功能安全設計離不開嚴謹?shù)膽B(tài)度和大量的文檔參考，也需要投入一定的時間。無論您從事工廠車間還是公路方面的設計，此白皮書中 TI 的集成電路 (IC) 設計方法都會為您提供所需的資源，從而簡化功能安全設計。隨著工業(yè)和汽車領域自動化的出現(xiàn)，人們對功能安全的需求有增無減。
合理的功能安全設計離不開嚴謹?shù)膽B(tài)度和大量的文檔參考，也需要投入一定的時間。無論您從事工廠車間還是公路方面的設計，此白皮書中 TI 的集成電路 (IC) 設計方法都會為您提供所需的資源，從而簡化功能安全設計。隨著工業(yè)和汽車領域自動化的出現(xiàn)，人們對功能安全的需求有增無減。所有的工業(yè)應用都有功能安全要求，尤其是在工廠自動化和控制系統(tǒng)中。
在汽車行業(yè)，盡管安全氣囊和制動系統(tǒng)在多年前就具備了功能安全性，但隨著電氣化水平的提高和自動駕駛功能的出現(xiàn)，系統(tǒng)需要控制電池管理、傳感器融合和車輛操作，進而增加了對功能安全設計的需求。無論是設計工廠機器人系統(tǒng)、家用電器還是未來的汽車，人們對設計工程師提出了更高的要求，即交付的項目應符合應用相關的功能安全標準。在不要求遵循標準的應用中，設計更安全的系統(tǒng)是在同類競爭產品中脫穎而出的關鍵因素。
功能安全標準
功能安全是系統(tǒng)整體安全性的一部分，是對某些輸入或故障狀態(tài)做出預測性響應。功能安全標準認為危險總是存在的，因此，所有系統(tǒng)都有一個固有故障率。功能安全標準對如何開發(fā)系統(tǒng)作出了規(guī)定，從而將故障率降低到可容忍水平。包含功能安全的系統(tǒng)設計必須能降低由操作不當引發(fā)故障的風險，還能檢測故障并充分降低故障造成的影響。為實現(xiàn)功能安全合規(guī)性，工程師必須：
• 預測并定義危險狀況。
• 確定能應對危險狀況的安全功能。
• 評估安全功能的風險降低等級。
• 確保安全功能符合設計初衷。
功能安全標準是由標準組織以及相關行業(yè)企業(yè)共同制定的，它通過定義系統(tǒng)中的安全功能和建立安全等級評定規(guī)范，為設計人員提供了指導。德州儀器(TI) 加入標準組織，有助于確保其產品開發(fā)從始至終都符合功能安全要求。常見的安全標準包括國際電工委員會 (IEC) 的61508 標準（針對工業(yè)應用）、國際標準化組織(ISO) 的 26262 標準（針對汽車應用）以及 IEC60730 標準（針對家用電器）。各類安全標準都規(guī)定了風險降低等級和安全完整性等級 (SIL)。例如，IEC 61508 標準將 SIL 劃分為SIL 1 至 SIL 4 四個等級，其中 SIL 4 的要求最高。SIL 1 要求安全可用性為 90% 至 99%，平均要求失效率 (PFDavg) 為 0.1 至 0.01，風險降低因子 (RRF) 為 10 至 100。SIL 4 要求安全可用性>99.99%，PFDavg 為 0.0001 至 0.00001，RRF為 10,000 至 100,000。
ISO 26262 標準的 ASIL 等級與 SIL 類似，即從ASIL A 至 ASIL D，其中 ASIL D 的要求最高。功能安全流程在功能安全開發(fā)流程中，通常需要先確定各種危險情況和功能安全目標。然后，工程師開始檢查系統(tǒng)架構、模塊和 IC。之后，將 IC 作為符合功能安全標準系統(tǒng)的主要構建塊進行開發(fā)。為預測系統(tǒng)可能出現(xiàn)的行為，工程師必須量化和預測模塊的運行情況。為此，工程師必須在開發(fā)流程中對系統(tǒng)進行結構化安全定性分析，從而找出各種失效模式、失效原因及其影響。功能安全標準規(guī)定了工程師需要了解的 IC 相關信息，便于工程師獨立進行失效模式、影響和診斷分析 (FMEDA)。由于 IC 的復雜度不同，系統(tǒng)安全分析可能需要有關設計、芯片和封裝的信息。
在此過程中，請務必從可靠的供應商處選擇合適的器件。無論是用于功能安全設計，還是用于實現(xiàn)差異化競爭的較安全系統(tǒng)中，TI 都能讓工程師更輕松地找到并使用合適的產品。
借助功能安全類別簡化器件的選擇
典型的工業(yè)和汽車應用需要復雜度迥異的大量 IC，如一個或多個傳感器和傳動器，處理傳感器數(shù)據(jù)的微控制器 (MCU) 或處理器，模擬多路復用器，運算或儀表放大器，可能與或未與處理器集成的模數(shù)轉換器 (ADC) 和數(shù)模轉換器，直流/直流轉換器，低壓降穩(wěn)壓器或電源管理 IC (PMIC)，以及 LED 驅動器、電機驅動器、電磁閥驅動器、場效應晶體管(FET) 和絕緣柵雙極晶體管柵極驅動器等驅動器元件，電源開關和負載開關。另外，應用還包括各類通信接口，如 RS-485、控制器區(qū)域網(wǎng) (CAN)、以太網(wǎng)、FPD-Link 和外圍組件快速互連 (PCIe) 接口。表 1 所示是 TI 為功能安全設計提供的產品類別，這也表明了基于標準的 IC 復雜度分類依據(jù)。這些類別包括 TI 功能安全型、TI 功能安全質量管理型、TI 功能安全合規(guī)型。
功能安全合規(guī)型產品
這類產品通常都是系統(tǒng)中相當復雜的器件，如MCU、處理器或模擬電機驅動器，可能具有集成的安全功能。TI 使用經 Technischer Überwachungsverein (TÜV)SÜD 等機構認證的功能安全開發(fā)流程，開發(fā)了這類產品。這類認證可確保這一類別的產品是按照功能安全標準（ISO26262 和 IEC61508）規(guī)定的規(guī)格開發(fā)的。
以下列復雜的功能安全合規(guī)型器件為例：
• 用于高級駕駛輔助系統(tǒng)、符合汽車電子委員會 (AEC)-100 標準的 Jacinto™ TDAx 片上系統(tǒng)，集成了定點和浮點 TMS320C66x 數(shù)字信號處理器 (DSP) 內核、Vision AccelerationPac嵌入式視覺引擎和雙核 ARM® Cortex®-M4 處理器，以及用于低壓差分信令環(huán)視系統(tǒng)、顯示、CAN 和千兆位以太網(wǎng)音頻視頻橋接的多攝像頭接口等外設。這些器件滿足廣泛的功能安全系統(tǒng)要求，包括具有錯誤校正碼 (ECC) 保護機制的 M4、具有 ECC 保護機制的 32 位雙倍數(shù)據(jù)速率接口、適用于中央處理單元 (CPU)的專用內存管理單元、內存保護單元、溫度監(jiān)測傳感器，以及用于系統(tǒng)監(jiān)控的八通道 ADC。
• TPS6594-Q1多軌電源管理集成電路（PMIC）支持汽車和工業(yè)市場采用的TI Jacinto TDAx片上系統(tǒng)。PMIC精度高、靈活性強，適合要求功能安全的汽車和工業(yè)應用，并會提供功能安全文檔。TPS6594-Q1為主域和MCU域提供可擴展的電源管理解決方案，并支持ASIL-D/SIL-3級別的功能安全
Hercules™ MCU 集成了足夠多的安全和診斷功能，可讓工程師達到 SIL 3 的目標等級。也就是說，此 MCU 可實現(xiàn)約 99% 的故障覆蓋率。例如，在 MCU 上集成兩個采用鎖步模式的 Cortex-R CPU，可在每個周期對輸出進行比較，如出現(xiàn)錯誤，則會產生非屏蔽中斷。在工業(yè)應用中，CPU 可在啟動時或時間片內進行自檢。
• DRV3245E-Q1 是一款適用于三相電機驅動應用的 FET 柵極驅動器 IC。它的三個半橋驅動器可分別驅動高側和低側 N 溝道金屬-氧化物-半導體 FET。根據(jù) ISO 26262 的適用要求，該柵極驅動器為每個內部時鐘集成了診斷和保護功能，還提供了常用系統(tǒng)診斷檢查支持，二者皆可通過串行外設接口實現(xiàn)實例化和故障報告。借助靈活的功能，DRV3245E-Q1 可無縫集成到各種安全架構中。
• TPS65381A-Q1多軌PMIC采用雙核同步或松散耦合的體系結構，為汽車和工業(yè)市場上的TIHercules TMS570和C2000™ MCU系列產品提供支持。配備內部FET的異步降壓開關式電源轉換器可將輸入電源（電池）電壓轉換為6-V前置調節(jié)器輸出電壓。然后由6-V的前置調節(jié)器為其他調節(jié)器供電。它的監(jiān)控和保護模塊，包括電壓檢測、模擬內建自測、時鐘丟失檢測、接點溫度檢測、電源電流限制和MCU誤差信號監(jiān)測等，都能提高診斷覆蓋率并降低未檢測到的故障率。
• TI 可提供屬于這一類別的多種器件，如 C2000實時控制器和具有板載 DSP、MCU 和雷達加速器的 AWR1843、76GHz 至 81GHz 汽車雷達傳感器。所有這些產品都附有專用的功能安全相關文檔，以支持系統(tǒng)開發(fā)流程：
功能安全質量管理型產品第二類產品包含內置診斷功能的復雜產品，且專用于有功能安全要求的系統(tǒng)。但是，這一產品類別在開發(fā)時沒有按照適用于功能安全合規(guī)型產品類別的認證功能安全開發(fā)流程，而是使用 TI 的標準質量管理開發(fā)流程。此類別的產品包括但不限于：
TCAN4550-Q1是業(yè)界首創(chuàng)的汽車系統(tǒng)基礎芯片（SBC），含集成式CAN FD控制器和收發(fā)器。這款高度集成的設備利用現(xiàn)有的SPI端口簡化CAN FD總線擴展，這樣設計師就可以在升級至更高寬帶CAN FD接口協(xié)議時維持當前基于微控制器的結構體系。LP87702-Q1是一款雙降壓和5-V升壓轉換器，集成符合ASIL的毫米波雷達系統(tǒng)要求的診斷功能，其中包括視窗監(jiān)控器和一個監(jiān)控其輸出電源的獨立參考電壓、以及兩個外部電源。
對于功能安全合規(guī)型器件，我們提供了各種文檔，可幫助進行功能安全系統(tǒng)設計。這些文檔包括功能安全時基故障率計算、FMEDA 和功能安全手冊。非功能安全合規(guī)型器件則不包括無故障分析或產品認證。功能安全型產品第三類產品包含的 IC 較簡單，開發(fā)時使用 TI 的標準質量管理開發(fā)流程，與功能安全質量管理型產品類別類似。功能安全型產品通常不具備集成的安全功能，所以通常不會提供內置的監(jiān)控和診斷功能，這些功能在TI 其他功能安全產品類別的器件中較常見。由于這類產品沒有集成全面的安全功能，它們不具備其他類別器件常見的內部監(jiān)控和診斷功能。
但它們仍是功能安全系統(tǒng)中的重要構建塊，因此，TI 會提供功能安全時基故障率和 FMD 等重要信息，供設計人員在安全分析中使用。此類別的產品包括但不限于：
• 小巧的線性熱敏電阻TMP61-Q1因長期傳感器漂移小于1%且精度優(yōu)于傳統(tǒng)熱敏電阻而頗受青睞。我們的熱敏電阻替代產品TMP235-Q1是一款精密溫度傳感器集成電路，無需校準即可達到±1.5°C。
• TPS3840-Q1 電壓監(jiān)控器或復位 IC。這款符合 AEC-Q100 標準的器件可提供 1.5V 至10V 的寬電壓范圍，電源電流典型值僅為350nA，最大值為 700nA。
• 符合 AEC-Q100 標準的 TPS7A16A-Q160V、5μA 靜態(tài)電流、100mA 低壓降穩(wěn)壓器，專為需要超低靜態(tài)電流的連續(xù)或斷續(xù)（備用電源）電池供電應用而設計。此器件非常適合通過多節(jié)電池解決方案（如高電池節(jié)數(shù)電動工具組和汽車應用）生成低電壓電源。TPS7A16A-Q1 不僅能提供一個良好穩(wěn)壓的電壓軌，還能承受瞬態(tài)電壓并在電壓瞬態(tài)期間保持穩(wěn)壓狀態(tài)。
TI 開發(fā)流程
由于功能安全開發(fā)流程較復雜，除 TÜV SÜD 認證外，您可能需要了解更多有關公司安全文化和流程的信息。這也是 TI 為管理系統(tǒng)失效和隨機失效而創(chuàng)建開發(fā)流程的原因所在（見表 2）。我們的所有產品都遵循質量管理開發(fā)流程，從而降低系統(tǒng)失效率。圖 1 所示的標準開發(fā)流程具有管理系統(tǒng)失效所需的很多要素。此外，這些產品的文檔和報告可用于幫助遵循針對最終應用（包括汽車和工業(yè)系統(tǒng)）的各種標準（例如 ISO 26262-4 或IEC 61508-2）。該流程將開發(fā)分為以下幾個階段：
• 評估。
• 計劃。
• 創(chuàng)建。
• 驗證。
TI 的功能安全開發(fā)流程是根據(jù) ISO 26262 和 IEC61508 制定的。我們向新產品標準開發(fā)流程的每個階段都添加了幾項特定的功能安全活動，從而劃分出三個基于標準的 IC 復雜度類別。
如 ISO 26262-2:2018 附件 A 所述，TI 的開發(fā)流程有利于真正實現(xiàn)功能安全。該開發(fā)流程可促進在所有產品開發(fā)團隊之間共享功能安全類信息。TI 團隊根據(jù)適當?shù)臉藴示S護特定組織的功能安全規(guī)則，而且其各個流程可確保解決發(fā)現(xiàn)的安全異常情況。TI 根據(jù)通用標準維護可滿足功能安全要求的質量管理系統(tǒng)，從而為客戶提供支持。
不斷提供功能安全產品系列
功能安全設計側重在概念階段就對各類危險、失效和緩解措施作出詳盡的計劃。這涉及根據(jù)標準分析各類系統(tǒng)失效以及所實施診斷方案的有效性。在此期間，需要反復研究用于構建系統(tǒng)的各個器件相關的數(shù)據(jù)。
（來源：TI工業(yè)系統(tǒng)工廠自動化與控制總經理Miro Adzan； TI汽車系統(tǒng)車身電子與照明總經理Arun）
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