徽州骆驼 · 4月2日

汽车MCU芯片知识点梳理

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随着科技的飞速发展,汽车行业也在经历着前所未有的变革。从传统的内燃机汽车到新能源汽车,再到如今的智能汽车,汽车已经不再仅仅是一种交通工具,而是成为了人们生活中的一种智能伙伴。在这个过程中,汽车电子系统发挥着越来越重要的作用,汽车MCU芯片,即微控制单元(Microcontroller Unit)芯片,是一种高度集成的半导体芯片,广泛用于现代汽车中。它是一种小型芯片,集成了处理器的核心功能、内存和输入/输出(I/O)外围设备,能够执行程序代码,控制外部设备,从而管理车辆的多种功能。

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01汽车MCU概念介绍

MCU(Micro Controller Unit微控制器单元)是一种集成电路,集成了CPU、内存、输入/输出接口以及各种外围设备。在汽车中,MCU负责控制和监控各种电子系统,以确保车辆的可靠性和安全性。MCU的主要应用领域包括引擎控制、变速箱控制、制动系统、车身电子、底盘控制、车载娱乐信息系统等。

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MCU芯片示意图

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02汽车MCU的分类

1、按数据位分类

根据数据位(Data Bit)分类,MCU可以分为4位、8位、16位、32位和64位等不同类型。数据位越多,MCU能够处理的数据量就越大,性能也越强。

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总的来说,MCU的位宽越高,其处理能力、内存容量和性能就越强大。但同时,更高的位宽也意味着更高的成本和功耗。在选择适合特定应用的MCU时,设计工程师需要根据应用的具体需求来决定使用哪种类型的MCU。

例如,如果应用只需要基本的控制功能,那么一个4位或8位MCU可能就足够了。如果应用需要处理大量数据或执行复杂的算法,那么一个32位MCU可能更适合。

2、按内核架构分类

根据内核架构分类,MCU可以分为基于8051架构、基于ARM架构和基于RISC-V架构等。不同架构的MCU具有不同的性能和功耗特点。

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8051架构、基于ARM架构和基于RISC-V架构的芯片各有特点,它们在性能、功耗、应用领域和生态系统等方面存在差异。8051架构芯片适合简单的控制任务,而基于ARM架构的芯片在现代电子设备中非常流行。基于RISC-V架构的芯片则因其灵活性和可定制性而受到关注。在选择适合特定应用的芯片时,需要根据应用的具体需求来决定使用哪种架构。

3、按应用领域分类

根据应用领域分类,MCU可以分为通用型、专用型等。通用型MCU适用于广泛的工业和消费应用,而专用型MCU则针对特定应用,如汽车、医疗、物联网等。

4、按性能分类

根据性能分类,MCU可以分为低端、中端和高端等。低端MCU适用于简单的控制任务,中端MCU适用于中等复杂度的应用,高端MCU适用于高性能计算任务。

5、按集成度分类

根据集成度分类,MCU可以分为微控制单元和系统级芯片。微控制单元只包含CPU和基本的外围设备,而系统级芯片则高度集成,包括处理器核心、内存、图形处理单元等。

03汽车MCU应用领域

在汽车中,MCU负责控制和监控各种电子系统,以确保车辆的可靠性和安全性。MCU(微控制器单元)在汽车上应用非常广泛,它们是现代汽车电子系统的核心组成部分。以下是一些主要的应用领域及其功能:

1、发动机控制:

  • 功能:MCU芯片在发动机控制单元(ECU)中起着核心作用,负责监控和管理发动机的性能,包括燃油喷射、点火时机、排放控制等。
  • 应用:确保发动机在各种工况下都能稳定运行,提高燃油效率和减少排放。

2、传动系统:

  • 功能:在自动变速器中,MCU芯片控制着换挡逻辑,确保车辆在不同的驾驶条件下都能获得最佳的动力传输和燃油效率。
  • 应用:优化驾驶体验和提高燃油经济性。

3、车身电子:

  • 功能:MCU芯片控制着车窗、门锁、座椅调节、灯光等车身电子系统。
  • 应用:提供舒适和便捷的驾驶体验。

4、安全系统:

  • 功能:如防抱死刹车系统(ABS)、电子稳定控制系统(ESC)和安全气囊等,MCU芯片负责监测车辆的运动和碰撞情况,控制安全气囊的部署。
  • 应用:在紧急情况下保障乘客安全。

5、车载娱乐和信息系统:

  • 功能:MCU芯片在车载娱乐系统中负责处理和显示信息,如导航、音频和视频播放等。
  • 应用:提供丰富的车载娱乐和信息功能,提高驾驶体验。

6、高级驾驶辅助系统(ADAS):

  • 功能:MCU芯片监控车辆的动态,如转向角、速度、偏航率等,以维持车辆的稳定性。
  • 应用:在紧急避障或湿滑路面行驶时,帮助驾驶员控制车辆,防止失控。

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总体而言,汽车MCU芯片在确保车辆性能、提高驾驶安全性和舒适性方面发挥着至关重要的作用。随着技术的不断进步,它们不仅提高了汽车的性能和安全性,还为汽车制造商提供了更多的创新空间。随着技术的进步,我们可以期待MCU在汽车中的应用将更加广泛和深入。未来MCU芯片的应用将更加广泛,为汽车行业带来更多的创新和改进。

04MCU评价指标

在汽车行业中,MCU(微控制器单元)的评价指标非常重要,因为它们直接影响到汽车的安全性、性能和可靠性。以下是一些关键的MCU评价指标:

1、工作温度范围:

MCU需要在极端的温度下稳定工作,通常包括宽广的工业级温度范围。车规级MCU芯片的工作温度范围要求通常在-40°C到+125°C之间。这一温度范围能够覆盖汽车在各种气候条件下的工作环境,包括极端的低温和高温度条件。这种严格的温度范围要求确保了车规级MCU芯片能在汽车行业中广泛应用,特别是在需要承受极端温度变化的汽车电子系统中。

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2、电源电压范围:

MCU应能够在不同的电源电压下稳定工作,以适应车辆的不同电源条件。车规级MCU芯片的工作电压范围一般较为宽泛,以适应不同的汽车电子应用需求。例如,兆易创新发布的GD32A503系列车规级MCU采用2.7-5.5V的宽电压供电。这种宽电压范围的设计使得车规级MCU能够适应汽车电子系统中可能遇到的多种电压条件,从而提高了其在实际应用中的灵活性和可靠性。

3、时钟频率:

更高的时钟频率通常意味着更高的处理速度,但也会增加功耗。车规级MCU芯片的时钟频率,即内核工作时的时钟频率,用于表示内核数字脉冲信号震荡的速度。内核的运算速度不仅与主频有关,还与内核的流水线、缓存、指令集等因素有关。车规级MCU芯片的时钟频率是其重要的性能指标之一,直接影响其运算速度和处理能力。例如,底盘域MCU可能需要具备主频不低于200MHz的要求,以满足高性能和高算力的需求。低频率如8MHz适用于对性能要求不高的简单控制任务,而高频率如1.2GHz则适用于高性能计算和复杂的实时控制任务。

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车规级MCU芯片的时钟频率对其工作正确性和性能至关重要。如果时钟频率超出指定的限制,可能导致性能、协议和定时故障。因此,在车规级MCU的设计过程中,需要考虑多种有效的安全机制来保证时钟信号的频率稳定性。例如,一些MCU可能通过CMU(时钟管理单元)模块来检测和监控时钟信号的频率,并在必要时产生事件以保证系统的安全运行。

总的来说,车规级MCU芯片的时钟频率是衡量其性能和适用性的重要参数之一,直接影响其在汽车电子系统中的应用和性能表现。在选择和使用车规级MCU时,应根据具体应用场景的需求来考虑其时钟频率。

4、内存容量和类型:

MCU需要足够的内存来存储控制算法和数据,以及足够的RAM来处理实时数据。车规级MCU芯片的存储器通常包括RAM、ROM、FLASH等不同类型的内存,用于存储程序代码、数据和参数等信息。

其中,ROM是固化在芯片内部的、只读的程序存储器,主要用于存储芯片自带的Bootstrap代码、芯片ID、供应商信息等。RAM是一种易失性存储器,用于暂存临时数据和运行中的程序。FLASH则是一种非易失存储器,用于存储程序代码、系统参数等。

在汽车电子系统中,车规级MCU芯片通常具备多种内存类型,包括SRAM(静态随机存取存储器)、DRAM(动态随机存取存储器)、NOR Flash(非易失性存储器)和NAND Flash(非易失性存储器)等。这些不同类型的内存可以满足不同的应用需求,如实时数据处理、存储程序代码和配置数据等。这些存储器在汽车电子系统中的应用体现了它们各自的优势,如SRAM的高速性能,NOR Flash的快速启动和可靠性,以及NAND Flash的大容量数据存储能力。随着汽车技术的不断进步,对存储器的需求也在不断增长,这些存储器技术的发展和应用对于汽车电子系统的发展至关重要。

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车规级MCU芯片的内存容量和类型是其重要的性能指标之一,直接影响其在汽车电子系统中的应用和性能表现。由于不同制造商和不同型号的车规级MCU可能会有不同的内存容量和类型,因此具体数值可能会有所不同。

例如,兆易创新发布的GD32A503系列车规级MCU,其Flash容量可达到8MB,SRAM容量可达到640KB。这种高容量设计使得车规级MCU能够处理更复杂的数据和算法,适应汽车电子系统中日益增长的数据处理需求。

5、外设接口:

MCU需要支持多种通信接口,如CAN、LIN、以太网等,以连接车辆的各个系统。

6、安全性和加密:

MCU需要具备一定的安全特性,如安全启动、加密和认证,以保护车辆免受黑客攻击。

7、故障诊断和自恢复:

MCU需要具备故障诊断和自恢复功能,以确保系统的稳定运行。

8、功耗:

低功耗设计对于电池供电的电动汽车尤为重要,以延长电池寿命。

汽车MCU芯片实现低功耗的方法主要包括以下几个方面:

8.1 先进的制造工艺:

例如,兆易创新GD32L233系列MCU采用了40nm超低功耗(ULP)制造技术,这种技术能够从硬件层面降低功耗。

8.2 专门优化的低功耗模拟IP:

例如,GD32L233系列MCU集成了专门优化的低功耗模拟IP,以降低能量损耗。

8.3 低功耗数字设计方法学:

例如,GD32L233系列MCU采用了多种低功耗数字设计理念,如多电压域设计,以控制闲置模块的通断电,避免不必要的能量流失。

8.4 丰富的外设接口和灵活的供电模式:

例如,GD32L233系列MCU提供了多种工作模式和休眠模式,以及丰富的外设接口,如多至4个通用16位定时器、2个基本定时器和1个32位低功耗定时器,以及标准和高级通信接口等。

8.5 高度集成的功能和高效的处理能力:

例如,TI的MSPM0系列MCU集成了高性能的模拟信号链控制、ADC、DAC等功能,同时具有优异的运行功耗和睡眠功耗参数。

通过这些方法,汽车MCU芯片能够在保证性能的同时,实现低功耗运行,这对于提高汽车能效和延长电池寿命具有重要意义。

9、封装类型和引脚数:

MCU的封装类型和引脚数直接影响到其在电路板上的布局和应用。

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常用的封装方法为:QFN、LQFP和LFBGA:

QFN、LQFP和LFBGA是不同类型的集成电路封装技术,它们在电子设计中有着广泛的应用,包括汽车电子。这些封装技术不仅影响芯片的尺寸和形状,还影响其电气性能、热性能和装配方式。以下是这些封装技术的简要概述:

9.1 QFN (Quad Flat No-lead):

QFN封装是一种无引脚封装,具有扁平的方形或矩形外形。它通过焊球与电路板连接,这些焊球位于封装的底部。QFN封装的主要优点包括较小的封装尺寸、优异的热性能和良好的电气性能。由于没有引脚,QFN封装在电路板上的占用空间较小,这对于空间受限的应用(如便携式设备或汽车电子)非常有利。

9.2 LQFP (Low Profile Quad Flat Package):

LQFP封装是一种四边扁平封装,具有较薄的封装体和较短的引脚。引脚从封装的四个侧面伸出,通常呈矩阵排列。LQFP封装因其良好的热性能和较高的引脚密度而受到青睐。这种封装适用于需要大量引脚的复杂集成电路,如微控制器和某些类型的ASIC。

9.3 LFBGA (Low Profile Fine Pitch Ball Grid Array):

LFBGA封装是一种球栅阵列封装,其中焊球以细间距排列在封装的底部。与QFN封装类似,LFBGA封装也提供了较小的封装尺寸和良好的热性能。LFBGA封装的焊球间距较小,允许更高的引脚密度,这对于高引脚数的集成电路非常有用。

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在选择MCU或其他集成电路的封装类型时,需要考虑多种因素,包括电路板空间、热管理需求、电气特性、装配过程以及成本。例如,在汽车电子中,由于空间受限且对可靠性要求高,QFN和LFBGA封装因其优异的热性能和紧凑的尺寸而受到青睐。而LQFP封装则因其较高的引脚密度和良好的装配兼容性而被广泛应用于多种电子设备中。

10、环境适应性:

MCU需要能够适应汽车环境中可能遇到的振动、冲击和电磁干扰。为了满足这些需求,MCU芯片通常采用以下方法和技术:

10.1 先进的封装技术:

使用高标准的封装技术来保护芯片免受外部环境的影响,如采用防水、防尘、抗震动的封装材料和结构。

10.2 加强电路设计:

通过优化电路设计来增强芯片的抗干扰能力和抗震动能力,例如采用电磁屏蔽和抗干扰电路设计。

10.3 温度适应性设计:

考虑到汽车环境中的温度变化,MCU芯片需要具备良好的温度适应性,能够在极端温度条件下正常工作。

10.4符合车规级标准:

汽车芯片需要通过严格的认证标准,如AEC-Q100认证,这包括一系列的测试,如加速环境应力测试、加速生命周期模拟测试、封装组装完整性测试等,以确保芯片在恶劣的汽车环境中能够稳定工作。

总之,MCU芯片通过采用先进的封装技术、加强电路设计、温度适应性设计和符合车规级标准等多种方法和技术,来适应汽车环境中可能遇到的振动、冲击和电磁干扰。这些措施确保了MCU芯片在汽车电子系统中的稳定性和可靠性。

11、可靠性和寿命:

MCU需要在长时间内稳定运行,并具有较长的使用寿命。

MCU(微控制器单元)芯片的可靠性和寿命要求在汽车环境中尤为重要。为了满足这些要求,MCU芯片需要通过一系列严格的测试和认证。这些测试包括:

11.1使用寿命测试项目:

如早期失效等级测试(EFR)、高/低温操作生命期试验(HTOL/LTOL)等,用于评估工艺的稳定性、加速缺陷失效率,以及器件在超热和超电压情况下的耐久力。

11.2环境测试项目:

如预处理测试(PRE-CON)、热冲击测试(THB)、高加速寿命测试(HAST)、压力循环测试(PCT)等,用于模拟IC在使用前在一定湿度、温度条件下的存储耐久力,以及评估IC在不同环境条件下的性能和可靠性。

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这些测试项目有助于确保MCU芯片在汽车环境中能够稳定可靠地工作,满足汽车行业对高性能、高可靠性和长寿命的需求。

12、软件和生态系统支持:

良好的软件支持和开发工具对于快速开发和系统集成至关重要。

MCU芯片的软件和生态系统支持对于开发者来说至关重要,因为它直接影响到开发效率和应用的可靠性。例如,英飞凌的AURIX™ TC4x系列MCU就提供了丰富的软件和生态系统支持。这个生态系统包括Synopsys Virtualizer™开发套件(VDK)和DesignWare® ARC® MetaWare工具包,用于软件开发和PPU软件开发。此外,还有支持MATLAB自动代码生成的合作伙伴产品,以及软件开发工具包(SDK)等。

在汽车领域,车规MCU的软件生态包括AUTOSAR架构、非AUTOSAR软件、操作系统、启动及信息安全软件、功能安全软件和软件开发工具链等多个方面。AUTOSAR架构是一种开放的汽车电子系统架构,旨在提供一种标准化的方法来开发和管理汽车电子系统的软件。它包括应用层、运行时环境层和基础设施层,以实现汽车电子系统的模块化、可重用和可扩展。

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这些生态系统支持措施不仅提高了开发效率,也简化了学习和应用过程,为MCU芯片的用户提供了全面的支持和资源。例如,兆易创新的GD32 MCU生态系统包括官方工具、合作伙伴工具、嵌入式软件、云连接和培训等,旨在支持MCU的开发和应用。

13、认证和标准符合性:

MCU需要符合汽车行业的相关标准和认证,如ISO 26262(功能安全)。车规级MCU芯片的设计和制造遵循严格的标准和认证流程,包括ISO/TS16949、AEC-Q100、ISO 26262等,以确保其在汽车电子系统中的可靠性和安全性。车规级MCU需要符合一系列严格的标准,包括在设计阶段遵循的国际上对于电子电器产品的安全可靠标准ISO26262,在流片和封装阶段遵循的AEC-Q001-004以及TS16949,以及在认证测试阶段遵循的AEC-Q100和AEC-Q104标准。这些标准涵盖了从高温工作寿命试验(HTOL)、早期失效率试验(ELFR)、静电放电人体模型(HBM)、静电放电带电期间模式(CDM)、高温门领试验(LU-HT)、电磁兼容试验(EMC)等19项测试。

国内有关部门也在加速制定可靠性基础标准并实施,使各方对汽车芯片的要求理解一致,避免混乱。AEC-Q100标准中,温度等级决定了所有AEC-Q100试验的温度条件,例如新版AEC-Q100最高工作温度范围(Level 0)是-40℃~150℃,最低范围(Level 3)是-40℃~85℃,中间还有两个级别分别是Level 1:工作温度范围–40℃~125℃(一般等级)、Level 2:工作温度范围 -40℃~105℃。

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这些评价指标对于汽车制造商来说至关重要,因为它们直接影响到汽车的性能、安全性和可靠性。在选择合适的MCU时,汽车制造商需要根据具体的应用需求和环境条件来权衡这些指标,以确保所选MCU能够满足项目的长期需求和预期目标。

05MCU发展现状

2023年,中国的汽车MCU(微控制单元)行业正经历显著的发展。随着中国汽车市场的快速增长,特别是在新能源汽车和智能汽车领域的迅猛发展,对MCU的需求不断提升。以下是中国汽车MCU行业的一些关键发展现状:

1、市场规模和增长:

根据统计,2021年中国MCU市场规模约为54亿美元,预计2022年将达到57亿美元。到2026年,预计市场规模将突破500亿元人民币。这表明中国MCU市场正在快速增长。

2、应用领域:

MCU在汽车行业中的应用非常广泛,包括引擎控制、变速箱控制、制动系统、车身电子、安全系统、底盘控制、车载娱乐和信息系统等多个方面。随着汽车电子化和智能化的发展,MCU在汽车中的应用将更加广泛和深入。

3、技术发展:

中国的MCU技术正在不断发展,特别是在新能源汽车和智能汽车领域的应用。国内半导体企业正在加大研发力度,以满足日益增长的市场需求。

4、市场竞争:

尽管中国MCU市场正在快速增长,但全球市场竞争依然激烈。目前,全球MCU市场主要由欧美日的芯片巨头主导,而中国的MCU市场国产化率相对较低,主要集中在消费级产品。管国内MCU市场正在快速增长,但全球市场竞争依然激烈。国际厂商如恩智浦、瑞萨、英飞凌等在全球市场中占据主导地位。国内厂商在进入高端市场方面面临挑战,尤其是在安全性和可靠性要求高的车规级MCU领域。

5、发展挑战:

车规级MCU的性能要求高,认证周期长,全球整车供应链基本固化,这对国内MCU厂商来说是一个挑战。然而,一些国内厂商正在从与安全性能相关性较低的中低端车规MCU入手,中国的一些主要MCU厂商包括兆易创新、国芯科技、比亚迪半导体、杰发科技、芯海科技、中颖电子、紫光国微、复旦微电等。这些公司在车身控制、仪表盘、触控等领域有所发展,逐步开始研发高端MCU,如智能座舱、ADAS等。

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综上所述,中国的汽车MCU行业正处于快速发展阶段,随着技术的进步和市场需求的增长,未来发展潜力巨大。同时,面对国际竞争和市场挑战,国内企业需要持续加强研发和技术创新。

06 MCU的发展趋势

汽车MCU(微控制单元)芯片的技术发展趋势正朝着更强大的处理能力、更低的能耗、更高的集成度等方向发展。这些进展不仅提高了车辆的智能化水平,也推动了汽车行业向更高效、更环保的方向发展。

1、更强大的处理能力:

随着汽车电子系统的日益复杂,MCU芯片需要处理更多的数据和更复杂的算法。因此,新一代MCU芯片采用了更先进的处理器架构,提供了更高的计算能力和数据处理速度。例如,采用多核处理器架构的MCU芯片能够并行处理多个任务,提高系统效率和响应速度。

2、更低的能耗:

节能环保是现代汽车发展的重要趋势。MCU芯片通过采用先进的制造工艺和电源管理技术,实现了更低的能耗。例如,采用低功耗设计和高能效处理器的MCU芯片,可以在不牺牲性能的情况下减少能源消耗。

3、更高的集成度:

随着半导体技术的发展,MCU芯片集成了越来越多的功能,如模拟信号处理、安全功能、无线通信等。

高集成度的MCU芯片可以减少汽车中的电子组件数量,降低系统成本,提高可靠性和稳定性。

未来趋势方面,随着自动驾驶技术的发展,MCU芯片将扮演更加重要的角色。自动驾驶系统需要处理大量的传感器数据,并实时做出决策。因此,未来的MCU芯片需要具备更高的计算能力、更低的延迟和更高的可靠性。

同时,随着车辆联网和车联网技术的发展,MCU芯片还需要支持更高级的通信协议和安全功能,以保障数据的安全和隐私。总之,汽车MCU芯片的技术发展趋势将继续推动汽车行业的发展,为未来的智能汽车提供强大的技术支持。随着技术的不断进步,我们可以期待未来的汽车将更加智能、高效和环保。

END

作者:北湾南巷
文章来源:汽车电子与软件

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