汽车电子设计之SBC芯片简单认识

Posted 2021-12-30 小幽余生不加糖

参考英飞凌SBC官网资料：https://www.infineon.com/cms/cn/product/automotive-system-ic/system-basis-chips-sbc/

SBC芯片在汽车电子领域可谓占一席之地了。那么什么是SBC？怎么用？用在哪里？主要特性？

1.什么是SBC？
SBC的系统框图

系统基础芯片（SBC，System Basis Chip），从广义上来说，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。
随着汽车电子模块的日益小型化，对低功耗和可靠性的要求越来越高。因此，SBC在汽车电子中的应用也越来越多。

细致地来说SBC，电源的构成可以是线性电源或者开关电源；通信包含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，还有功能安全的一些特性。

任意一个汽车电子系统硬件上除了检测单元（如传感器），计算单元（如微控制器）和执行单元（如功率管），往往还需要供电单元（如LDO），通信物理层单元（如CAN收发器），诊断监控单元及一些输入输出接口（如唤醒输入），针对后面这些单元的通用化，系统基础芯片应运而生。

典型的系统基础芯片拥有供电功能，总线收发功能，诊断监控功能和唤醒管理功能。

2.为什么使用SBC？

汽车电子硬件设计中，电源、通信，包括一些监控（例如看门狗/复位/定时器），都是通过多个电路来实现的。这不仅增加了电路设计的难度，也不利于在可靠性、系统成本、PCB空间以及电路功耗等方面做出优化提高。使用了SBC之后，由于SBC内部高度集成了一个基本硬件系统模块的基础电路功能模块（电源和通信），因此使得外部电路得以大大的简化。这也就体现了SBC这类器件的强大优势，因此有了广泛的使用。

通常当系统需要供电单元和总线收发器时，就可以考虑选用系统基础芯片了，使用系统基础芯片可以带来众多好处：
▪ 减少PCB空间
▪ 更好的静态功耗
▪ 更高的系统可靠性
▪ 成本的优化
▪ 重复设计工作量的减少

3.SBC用在哪里？

在动力系统、底盘和驾驶辅助、车身系统、舒适系统以及混合动力及电驱动系统中，几乎无处不见SBC，这也说明了这类器件强大的生命力和优势被广泛接纳的程度。

4.怎么用？

要分清系统基础芯片之间的差异。
虽然所有的系统基础芯片都含有上文提到的四个功能，但是由于每个厂家对市场及应用有不同的认识，还有资源以及技术的不同，所推出的系统基础芯片各有差异，在只考虑功能不考虑具体参数优劣的情况下，这些差异主要集中以下几个方面：

▪ 各功能模块的数量，比如供电输出有一路，两路，三路或者多路，CAN收发器有一个，两个还是多个；

▪ 各功能模块的能力，比如CAN收发器是否支持CAN局部网络工作（CAN PN），供电输出是250mA能力还是750mA能力；

▪ 不同功能模块的搭配，比如芯片内部只有一路供电及一路CAN收发器，或者芯片内部有多路电源输出，多路CAN/LIN收发器以及驱动输出。

同一个厂家也会有多个差异化的系统基础芯片。此处以英飞凌产品为例，直观地讲解系统基础芯片家族分类，一般可分为四个家族：简化型，中等型，开关电源型和多CAN型。家族之间的差异在于功能模块数量及搭配的不一样，同一家族（中等型，开关电源型）内根据LIN收发器的数量可以有多个芯片可选，另外依据VCC1输出电压的不一样有5V和3.3V版本可选，依据是否支持CAN局部网络工作有两个版本可选（只有开关电源型家族目前不支持）， 一共有多达50个系统基础芯片可供选择。

家族的定义一般来自于目标应用，目标应用的复杂度及差异化的需求决定了家族内具体版本的差异，比如简化型家族简化了供电功能并且只有一路CAN收发器，通常应用于车灯控制，方向盘锁，安全带和座椅等应用，其参考应用框图如下。

中等型家族拥有丰富的功能（三路供电输出，多个唤醒输入和失效信号输出等）但是供电输出能力不大，通常应用于车身控制，门窗控制和电动换挡器等应用，其参考应用框图如下。

开关电源型家族相对于中等型家族减少了电源输出通道，但提高了主电源的输出能力并且还增加了Boost功能，通常应用于车身控制，网关和环境气候控制等应用，其参考应用框图如下。

多CAN型家族相对于开关电源型家族减少LIN收发器，增加了CAN收发器，通常应用于网关和辅助驾驶等应用，其参考应用框图如下。

5.如何具体选型？
可以利用上文提到的差异进行快速的初步选型，如先评估MCU供电网络的电压和电流能力的需求，根据电压和电流能力可以大致选择到某些家族或者系列，再根据总线收发器的要求选择某些芯片，下图是来自英飞凌的一个很简单但很直观的选型图，初步选型后还要检查唤醒需求及负载驱动需求，对于没有直接匹配到合适的系统基础芯片时需要去评估哪些外围器件匹配哪个系统基础芯片才能做到最优的方案。

电源是系统的基础，因此SBC中必须首先包含电源。一般来说，SBC的电流输出能力都不是很大，主要是在100mA~150mA。这样的电流输出能力可以满足大多数汽车电子中的微控制器的电流需求，从而可以把原本需要的外部电源集成到SBC内部。其实电流输出能力也可以做得更大一些，但考虑到功耗以及散热问题，只要够用就可以了。也有采用DC/DC的SBC把输出电流做到了1.5A，用来给系统的主微控制器供电（例如NXP公司的MC34FS6408）。不过这类器件还是少数。通信部分也是SBC不可或缺的部分，带有CAN、CAN FD和LIN的接口也就成为了SBC的标配。注意：有些半导体公司的产品中会有多路CAN的SBC，同时也带有LIN，这些都是为了适应不同的系统需求开发出来的芯片。因为这些SBC中都包含有CAN，所以就用包含LIN的数量来进行简单归纳。由于系统需要在待机的状况下被唤醒，所以还需要有外部唤醒输入，这样可以让模块在待机下降低功耗和静态电流。此外，SBC还有一些和安全有关的功能，例如看门狗和复位功能，都是可以由通信（一般是SPI）来进行配置和管理的，从而满足安全的设计要求。

英飞凌的选型方案：

从以上的列表中可以体会到在需要使用SBC的系统设计中，电源管理和功能安全使得SBC的优势发挥得淋漓尽致。这是因为在片上集成系统的时候，每个芯片都可以在开发的初期就考虑得非常细致和完整，从而不需要后期用分立的器件以及软件代码来实现这些复杂的系统设计，包括功能安全和电源管理等。因此，这类包含“特殊”功能的SBC发展成为独立的一类，叫做功能安全SBC（Functional Safety SBC）。
综上所述，除了我们介绍的这些SBC，还有一些它衍生出来的家族成员，例如迷你SBC（Mini System Basis Chip）、LIN迷你SBC（LIN Mini System Basis Chip），以及第4.2节介绍的功能安全SBC等。这些家族成员使得SBC成为一类具备强大生命力的器件。

留个坑，后面说功能安全的事儿。