一文读懂汽车芯片--控制芯片(车身+座舱)

智能汽车设计 2023-08-03 08:01

来源:中国汽车芯片联盟

1. 车身域控制芯片

车身域主要负责车身各种功能的控制。随着整车发展,车身域控制器也越来越多,为了降低控制器成本,降低整车重量,集成化需要把所有的功能器件,从车头的部分、车中间的部分和车尾部的部分如后刹车灯、后位置灯、尾门锁、甚至双撑杆统一集成到一个总的控制器里面。

车身域控制器一般集成BCM、PEPS、TPMS、Gateway等功能,也可拓展增加座椅调节、后视镜控制、空调控制等功能,综合统一管理各执行器,合理有效地分配系统资源。车身域控制器的功能众多,如下图所示,但不限于在此列举的功能。


车身域控制器功能表
※资料来源:公开资料、编写单位提供

(1)工作要求

汽车电子对MCU控制芯片的主要诉求为更好的稳定性、可靠性、安全性、实时性等技术特性要求,以及更高的计算性能和存储容量,更低的功耗指标要求。车身域控制器从分散化的功能部署,逐渐过渡到集成所有车身电子的基础驱动、钥匙功能、车灯、车门、车窗等的大控制器,车身域控制系统设计综合了灯光、雨刮洗涤、中控门锁、车窗等控制,PEPS智能钥匙、电源管理等,以及网关CAN、可扩展CANFD和FLEXRAY、LIN网络、以太网等接口和模块等多方面的开发设计技术。

在总体上讲,车身域上述各种控制功能对MCU主控芯片的工作要求主要体现在运算处理性能、功能集成度和通信接口,以及可靠性等方面。具体要求方面由于车身域不同功能应用场景的功能差异性较大,例如电动车窗、自动座椅、电动尾门等车身应用还存在高效电机控制方面的需求,这类车身应用要求MCU集成有FOC电控算法等功能。此外,车身域不同应用场景对芯片的接口配置需求也不尽相同。因此,通常需要根据具体应用场景的功能和性能要求,并在此基础上综合衡量产品性价比、供货能力与技术服务等因素进行车身域MCU选型。

(2)性能要求


车身域控制类MCU芯片主要参考指标如下:


  • 性能:ARM Cortex-M4F @144MHz,180DMIPS,内置8KB指令Cache缓存,支持Flash加速单元执行程序0等待。

  • 大容量加密存储器:高达512K Bytes eFlash,支持加密存储、分区管理及数据保护,支持ECC校验,10万次擦写次数,10年数据保持;144K Bytes SRAM,支持硬件奇偶校验。

  • 集成丰富的通信接口:支持多路GPIO、USART、UART、SPI、QSPI、I2C、SDIO、USB2.0、CAN 2.0B、EMAC、DVP等接口。

  • 集成高性能模拟器件:支持12bit 5Msps高速ADC、轨到轨独立运算放大器、高速模拟比较器、12bit 1Msps DAC;支持外部输入独立参考电压源,多通道电容式触摸按键;高速DMA控制器。

  • 支持内部RC或外部晶体时钟输入、高可靠性复位。

  • 内置可校准的RTC实时时钟,支持闰年万年历,闹钟事件,周期性唤醒。

  • 支持高精度定时计数器。

  • 硬件级安全特性:密码算法硬件加速引擎,支持AES、DES、TDES、SHA1/224/256,SM1、SM3、SM4、SM7、MD5算法;Flash存储加密,多用户分区管理(MMU),TRNG真随机数发生器,CRC16/32运算;支持写保护(WRP),多种读保护(RDP)等级(L0/L1/L2);支持安全启动,程序加密下载,安全更新。

  • 支持时钟失效监测,防拆监测。

  • 具有96位UID及128位UCID。
  • 高可靠工作环境:1.8V~3.6V/-40℃~105℃。

(3)产业格局

车身域电子系统不论是对国外企业还是国内企业都处于成长初期。国外企业在如BCM、PEPS、门窗、座椅控制器等单功能产品上有深厚的技术积累,同时各大外企的产品线覆盖面较广,为他们做系统集成产品奠定了基础。而国内企业新能源车车身应用上具有一定优势。以BYD为例,在BYD的新能源车上,将车身域分为左右后三个域,重新布局和定义系统集成的产品。但是在车身域控制芯片方面,MCU的主要供货商为仍然为英飞凌、恩智浦、瑞萨、Microchip、ST等国际芯片厂商,国产芯片厂商目前市场占有率低。

(4)行业壁垒


从通信角度来看,存在传统架构-混合架构-最终的Vehicle Computer Platform的演变过程。这里面通信速度的变化,还有带高功能安全的基础算力的价格降低是关键,未来有可能逐步实现在基础控制器的电子层面兼容不同的功能。例如车身域控制器能够集成传统BCM、PEPS、纹波防夹等功能。相对来说,车身域控制芯片的技术壁垒要低于动力域、驾舱域等,国产芯片有望率先在车身域取得较大突破并逐步实现国产替代。近年来,国产MCU在车身域前后装市场已经有了非常良好的发展势头。

2. 座舱域控制芯片
电动化、智能化、网联化加快了汽车电子电气架构向域控方向发展,座舱域也在从车载影音娱乐系统到智能座舱快速发展。座舱以人机交互界面呈现出来,但不管是之前的信息娱乐系统还是现在的智能座舱,除了有一颗运算速度强大的SOC,还需要一颗实时性高的MCU来处理与整车的数据交互。软件定义汽车、OTA、Autosar在智能座舱域的逐渐普及,使得对座舱域MCU资源要求也越来越高。具体体现在FLASH、RAM容量需求越来越大,PIN Count需求也在增多,更复杂的功能需要更强的程序执行能力,同时还要有更丰富的总线接口。
(1)工作要求


MCU在座舱域主要实现系统电源管理、上电时序管理、网络管理、诊断、整车数据交互、按键、背光管理、音频DSP/FM模块管理、系统时间管理等功能。

MCU资源要求:
  • 对主频和算力有一定要求,主频不低于100MHz且算力不低于200DMIPS;

  • Flash存储空间不低于1MB,具有代码Flash和数据Flash物理分区;

  • RAM不低于128KB;

  • 高功能安全等级要求,可以达到ASIL-B等级;

  • 支持多路ADC;

  • 支持多路CAN-FD;

  • 车规等级AEC-Q100 Grade1;

  • 支持在线升级(OTA),Flash支持双Bank;

  • 需要有SHE/HSM-light等级及以上信息加密引擎,支持安全启动;

  • Pin Count不低于100PIN;


(2)性能要求


  • IO支持宽电压供电(5.5v~2.7v),IO口支持过压使用;

很多信号输入根据供电电池电压波动,存在过压输入情况,IO口支持过压使用能提升系统稳定、可靠性。
  • 存储器寿命:

汽车生命周期长达10年以上,因此汽车MCU程序存储、数据存储需要有更长的寿命。程序存储和数据存储需要有单独物理分区,其中程序存储擦写次数较少,因此Endurance>10K即可,数据存储需要频繁擦写,需要有更大的擦写次数,参考data flash指标Endurance>100K, 15年(<1K),10年(<100K)。
  • 通信总线接口;

汽车上总线通信负荷量越来越高,因此传统CAN已不能满足通信需求,高速CAN-FD总线需求越来越高,支持CAN-FD逐渐成为MCU标配。


(3)产业格局


目前国产智能座舱MCU占比还很低,主要供应商仍然是NXP、 Renesas、Infineon、ST、Microchip等国际MCU厂商。国内有多家MCU厂商已在布局,市场表现还有待观察。


(4)行业壁垒


智能座舱车规等级、功能安全等级相对不算太高,主要是know how方面的积累,需要不断的产品迭代和完善。同时由于国内晶圆厂有车规MCU产线的不多,制程也相对落后一些,若要实现全国产供应链需要一段时间的磨合,同时可能还存在成本更高的情况,与国际厂商竞争压力更大。

3. 车身和座舱域国产控制芯片应用情况

车载控制类芯片主要以车载MCU为主,国产龙头企业如紫光国微、华大半导体、上海芯钛、兆易创新、杰发科技、芯驰科技、北京君正、深圳曦华、上海琪埔维、国民技术等,均有车规级MCU产品序列,对标海外巨头产品,目前以ARM架构为主,也有部分企业开展了RISC-V架构的研发。目前国产车载控制域芯片主要应用于汽车前装市场,在车身域、信息娱乐域实现了上车应用。


国产车身域和座舱域控制器芯产品应用情况
END

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