这种汽车芯片,风向开始变了


来源:纵横网 浏览量(9159) 2024-05-28 08:05:55

付斌|作者

新能源汽车中,有一种闷声发大财,又很少引人注目的芯片,它就是SBC(System Basis Chip,系统基础芯片)。

SBC很有“钱途”。据PMR预测,2023年全球系统基础芯片(SBC)市场规模将达到284亿美元。到2033年,系统基础芯片市场预计将达到620亿美元,年增长率为8.1%。

SBC芯片从来都一个高度垄断的领域,日前,国内首颗汽车智能SBC芯片由芯必达正式量产出货。这标志着,行业迎来新风向。

车规MCU的好基友

SBC芯片即系统基础芯片,是最基础和最重要的车规级芯片之一。它被划分到电源管理细分子类,电源管理下还包括PMIC、SBC以及安全SBC。

广义上讲,SBC是一种包含电源、通信、监控诊断、安全监控等特性以及GPIO的独立芯片。简单理解就是将众多单一的通用功能集成在一颗大芯片上,以实现汽车电子模块日益小型化、低功耗、高可靠性的要求。

细致来讲,SBC中的电源包括线性电源、开关电源;通信包括CAN、CANFD以及LIN;监控诊断包括唤醒输入、看门狗、复位、中断以及对电路诊断后的失效输出,还有功能安全特性。

简而言之,SBC将原来4~5颗芯片高度集成为一颗‘超级芯片’,同时实现电源管理、计算控制和通信等多种功能。

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从过去历史来看,新能源汽车E/E架构正在逐渐从离散、分布逐渐集中化,SBC也是为增加汽车集中度而生。

2000年以前,汽车ECU配套的MCU的外围组件是由一个个单独的分立芯片搭建,那时候,传统燃油车由于功能变化少,一般不需要SBC芯片。随着车辆功能逐渐增加,对汽车的电力控制、信息传输、空间布置提出了更高的要求,汽车也逐渐向集成化架构过渡。

2000年前后,一些厂商尝试将ECU内辅助MCU工作的外围芯片都集合在一起,有点类似SoC的做法,并把这颗芯片称作SBC芯片。

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SBC的应用主要采用“1 MCU+1 SBC”的形式,包括车身控制模块、网关、闭合模块(门、车顶、尾门、拖车)、座椅控制模块、换档器、燃油泵、暖通空调、无线车内充电器、分动箱、氮氧化物传感器和排气模块、灯光控制模块和水泵等。

简单来说,小到开门、关窗,大到动力管理,只要用到车规MCU的地方,它都能帮助其供电和连接网络。

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SBC的好处很多,毕竟把所有的外围功能都放在一颗芯片上,所以最简单直接的效果就是减少PCB空间。此外,SBC拥有更好的静态功耗、更高的系统可靠性、更低的成本、更少的重复设计工作量。更重要的是,利用SBC芯片,有助于实现符合汽车功能安全标准的ECU设计。

数据显示,相比分立器件,SBC芯片可以节省30%~50%的开发板空间,省电20%以上并大大提高电池使用寿命。

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很卷的市场

随着汽车新能源化和智能化,整车芯片数量越来越多,而更高级别智能汽车的需要量有望提升至3000颗/辆,这种趋势也正在驱使SBC使用数量急剧上升。

数据显示,新能源车将从2021年的62个MCU和25个SBC提升至2025年的80个MCU和45个SBC。

虽然使用数量变多了,但单价却更低了,这意味着这块市场越来越卷了。

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目前,全球的主要供应商为海外巨头,在高功能安全的SBC中,主要玩家为博世(Bosch)、德州仪器(TI)、恩智浦(NXP,包含飞思卡尔)、英飞凌(infineon)、意法(ST)等。

汽车智能化阶段,必须上功能安全系统,因此不同厂商均对SBC的定义有着自己的理解,不过总体来说,整个细分行业尚处于摸索阶段。L2智能驾驶时代下SBC已体现了其汽车安全的重要性。

博世

博世的SBC产品主要包括CY320、CY324、CY327、CY329几个不同封装类型的SBC芯片,用于变速器控制单元的安全IC CG135,CG124+CG130芯片组。

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比较典型的高端SBC为CY329,达到ASIL C(D)级别,集成适用于带或不带CAN唤醒的永久供电系统(PSS)或非永久供电系统(NPSS)、VPR升压/降压稳压器(3V)、两个5V线性稳压器、三个独立的5V传感器电源、集成箝位和诊断功能的功率级(7倍低侧、1倍高侧)、CAN-FD收发器、MSC微秒级总线、四个32位停止计数器、3级看门狗等。

根据介绍,集成电压预调节器(VPR)作为带有外部开关MOSFET的升压/降压调节器实现,从而简化了PCB设计并减少了潜在的热点问题。调节器在应用中提供了很大的灵活性。它可以在单线圈和双线圈配置中操作,并提供一个配置引脚,用于与不同的外部线圈操作。

CY329提供通过MSC接口直接控制广泛的配置选项,同时MSC接口还提供广泛的状态信息,包括所有功率级的实际栅极电压。

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德州仪器

德州仪器的SBC分为初级、中级、高级三个档位,将CAN FD或LIN收发器和电源元件集成在单个封装中。通过用于总线保护和诊断的集成式高侧开关 (HSS)、看门狗和通道扩展来增强系统控制功能。将我们的SBC用于电子控制单元 (ECU)。

值得一提的是,TI 已在布板空间、系统成本和功效方面优化了CAN和LIN SBC。

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典型芯片比如TCAN11623-Q1通用SBC集成了CAN FD收发器、唤醒引脚以及3V、70mA LDO输出,而TCAN11625-Q1支持5V、100mA LDO输出。LDO为外部小负载供电,而外部元件可使用唤醒引脚来唤醒节点。其具有自供电功能,因此无需使用额外的电压轨为SBC供电。

TLIN1431-Q1中级SBC集成了LIN收发器、看门狗计时器、高侧开关、唤醒引脚和125mA LDO。支持通道扩展,能够通过添加和控制外部LIN或CAN FD收发器来灵活地扩展系统,而无需使用处理器的另一个通用输入/输出。比较特色的特性是,其可以通过通道扩展实现TCAN11623-Q1。设计人员可以利用通道扩展功能为系统中的小负载添加一个CAN通道和另一个电源。

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TLIN1431-Q1方框图,利用通道扩展功能实现TCAN11623-Q1

TCAN4550-Q1高级SBC在单个封装中整合了CAN FD控制器和CAN FD收发器。它包括本地唤醒引脚、看门狗计时器和70mA LDO输出。TCAN4550-Q1将CAN通信添加到任何没有CAN接口的主机,并支持额外的CAN通道。它还填补了传统CAN与CAN FD之间的差距。显示了TCAN4550-Q1的基本方框图及其通过SPI到主机处理器的连接。

TCAN4550-Q1提供额外的功能,包括VIO(支持1.8V、3.3V和5V)、唤醒、抑制以及超时看门狗,可启用通常不可用的处理器功能。

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TCAN4550-Q1 方框图,处理器连接和集成 LDO

恩智浦

对恩智浦来说,SBC芯片在早期属于功能芯片,2011年启动恩智浦安全保障计划,使得开发流程与ISO 26262保持一致,2019年开始注重安全系统。恩智浦的产品线非常全,能够涵盖不同等级的应用需求。

恩智浦把SBC也分成了四类:功能安全SBC、CAN/LIN SBC、微型SBC(Mini SBC)、ASSP SBC。

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其中,FS26是恩智浦比较重点在推的一款产品。FS26可用于许多汽车应用,有助于提高电动汽车的效率、可扩展性和功能安全。

根据介绍,FS26具有多个开关式稳压器以及LDO稳压器,可为微控制器、传感器、外设IC和通信接口供电。FS26为系统提供高精度电压基准,并为两个独立的电压跟踪调节器提供基准电压。此外,各种功能可用于系统控制和诊断,如模拟多路复用器、GPIO和可选择的I/O唤醒事件、持续时间较长的定时器或SPI通信。

FS26符合ISO 26262标准,涵盖ASIL B和ASIL D安全完整性级别。它具有多个故障安全型输出,是以安全为导向的系统分区的一个完整部分,同时具有最新的按需潜在故障监测。

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英飞凌

英飞凌一共有四个子类的SBC芯片系列,包括OPTIREG Lite SBC Family、Mid-Range+ SBC Family、DC/DC SBC Family、Multi-CAN Power+ SBC Family,支持从入门级汽车应用到复杂控制系统的所有产品。

英飞凌的SBC产品主要特点是以优化的系统成本为各种汽车应用提高集成度和性能、极低的静态电流有助于延长电池寿命、提高整体系统可靠性、通过降低元件数量和减小PCB使用面积(低至80%)降低系统成本、通过共享状态机和 SPI使设计更灵活并减少了软件设计工作量。

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意法

意法的SBC和PMIC放在的同一框图内,用户主要根据自己的需求进行选择。

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总之,大多数情况下,这些厂商的SBC都是和自己的MCU配套使用,当然德州仪器、恩智浦、英飞凌等厂商的产品也都支持不同厂商的MCU,灵活度高和适配度高也是这些厂商的一个主要产品特性。

国内SBC芯片发展如何

当下,我们必须面对的事实是,当下汽车芯片国产化率不足10%,SBC便是急需替代的那一个。事实上,一辆新能源智能汽车上缺乏的,并非是很多人关注创业的很贵的芯片,而大部分是价格比较便宜的芯片。

对于国产厂商来说,SBC拥有一定的增量市场。德邦证券曾经这样计算过,根据英飞凌一颗SBC芯片在2~3美金估算,每年售价递减10%,2023年国内车载SBC芯片市场规模约在43亿元人民币左右。

不过,实际的SBC玩家并不多,大多数初创公司,包括川土微、鸿翼微、中科赛飞、芯必达、华芯半导体,实际具备产品的只有美芯晟和芯必达。

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对于国内厂商来说,SBC的难点有三个方面。

第一是SBC本身属于车规产品,车规级芯片进入Tier1或车厂需要进行严苛的认证工作,包括IATF 16949、AEC-Q100、功能安全ISO 26262等,认证周期长达3~5年。

对于车规产品来说,良率是车规和非车规之间很大的障碍。消费级的芯片本身面积不大——5*5的芯片,很多fab可以保证良率。但车规芯片良率要求极高的,需要从设计端入手,如果没有做测试电路,在制造过程中就不能了解芯片是否真的没有缺陷。

第二是SBC的功能安全,这是普通电源、PMIC和SBC的本质区别。功能安全体系相对其它体系是比较难的体系,是技术和体系管理的融合,包括VDA6.3、16949等,要求在每一步上有没有做这个动作,怎么能做到。

第三是SBC本身集成度高,技术难度高,不仅要在通讯、电源多领域具备技术能力,还要与各种MCU相适配,需要拥有很强的行业Know-How。

不过,随着国产SBC逐步量产,属于国产的新时代,到来了。







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