汽车可编程技术需求颇高

汽车制造商一直希望获得可重编程的技术，并具有在漫长的产品生命周期中进行修改和改变的弹性，能以单一平台面向多种产品款型。若在经济型和豪华型汽车上能够设计使用单一引擎控制模组或安全系统，汽车制造商就可简化设计，在其整个产品种类中充分利用各种工程资源。

FPGA进入引擎和安全系统

不过由于引擎盖下系统和安全系统属于汽车的关键部分，以往现场可编程闸阵列（FPGA）技术一直被拒之门外，仅被使用于那些非系统关键性应用中，例如车载资讯通讯系统和资讯娱乐系统。

因此，直到现在，在系统关键性应用中，为确保产品具有韧体元件错误免疫能力（firm-error immunity）以及在扩展的温度范围内工作，汽车制造商一直不得不采用硬连线的ASIC和专用标准产品（ASSP）。如今，可编程控制逻辑技术最终发展，能够可靠满足汽车应用中引擎盖下系统和安全系统的要求，并具成本效益。但在将该技术应用于设计时，还是有很多问题必须考虑。以下便是一些影响FPGA架构选择的课题。

功耗

并非所有的FPGA在功耗表现方面都相同，但功耗是汽车应用选择FPGA产品时，需要考虑的一个主要因素。若汽车制造商所选元件是超低功耗器件，设计人员就不必担心热可靠性和失控问题。

元件需耐受高温

显然引擎盖下的应用，电子元件要承受极高的温度。如果FPGA功耗大，会进一步加剧高温对元件的影响。按照AEC-Q100 Grade 1的标准要求，在引擎盖下使用的电子元件，必须能在-40～ +135℃的结温范围内工作。而且，元件功耗本身过大，也会导致过热和失效。

快闪记忆体改善FPGA功耗

不过，在采用快闪记忆体技术（Flash Memory）后，FPGA的功耗情况已获得改观，不仅漏电流大大降低，同时也实现超低的静态功耗。这是消除热可靠性和失控担忧的一个关键因素。事实上，某些以快闪记忆体技术为基础的汽车等级FPGA，在135℃下静态电流可低至40mA。

Flash Memory避免韧体元件错误

非挥发性（NVM）快闪记忆体是在系统关键性设计中，提供韧体元件错误免疫能力的关键技术。韧体元件错误不仅影响汽车电子系统的品质，而且还可能造成人命伤亡事故。

诸如FPGA和CPLD之类的可编程逻辑元件，过去一直采用SRAM作为配置记忆体，SRAM容易产生中子诱发的韧体元件错误，失效率（FIT）达到数千。而且，中子诱发的韧体元件错误，随温度和海拔高度的波动呈指数级增加。非挥发性记忆体就不会遭受中子诱发的韧体元件错误，因此具有韧体元件错误免疫能力。

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电磁干扰（EMI）

随着汽车中精细电子设备的数量迅速增加，EMI问题也变得日益突显。当今汽车上使用的多数电子设备，必须满足严格的电磁辐射标准。 EMI会导致舒适性劣化和关键性功能失效，如雨刷电机干扰车载娱乐系统、静电效应造成倒车后视辅助装置失效等等问题。

在这方面，可重新编程的FPGA能够一显身手，FPGA便于设计人员快速、轻松调整设计，进而消除和减少EMI干扰。 FPGA还有其他一些优势，包括低功耗、高整合度、实现高速运作的模拟锁相环（PLL）电路、以低速外部时钟为源的片上时钟，以及可编程的I/O转换速度。

速度

汽车电子设计要求闪电般的快速回应。若比较采用中断驱动方式的微控制器解决方案，FPGA的回应速度更快，这对安全关键性系统和闭环引擎控制模组而言是一大优势。 FPGA的回应时间可缩短到100ns以下，比高性能微控制器MCU快几个数量级。由于FPGA具有快速回应的能力，可以降低整体时钟速度，进一步减少EMI和功耗。

产品寿命

汽车设计人员必须考虑设计中所用部件的寿命问题。 FPGA的寿命长达15年，相比专用积体电路（ASIC）和ASSP还要长许多。在汽车行业中，元件重新进行资格认证价格非常昂贵。采用可编程逻辑方法来架构一个平台，或者进行设计重用，是解决许多ASSP产品短寿命问题且具成本效益的方法，特别是在那些汽车等级ASSP产品难于采购的应用中尤其如此。

应用焦点

诸如倒车后视辅助设备之类的安全系统、以及嵌入GPS转向导航和资讯娱乐应用日趋流行，汽车上大量使用LCD液晶显示器。这类应用都需要低功耗、高可靠性，且可重新编程的解决方案，以便应对不断演进的LCD标准和技术，进而提供理想的功耗、尺寸和开发周期。

与所能替代的ASSP显示控制器不同，超低功耗的快闪FPGA能够快速地重新编程，搭配和支援各种LCD显示器和不断变化的显示技术，因此能够实现不同汽车控制台设计间的转移。况且，这些功能丰富的FPGA，可在单晶片中整合额外的胶粘逻辑、以及更为复杂的LCD控制功能，进而减小板卡尺寸。

整合度

随着晶片中整合的功能越来越多，全面了解CPLD和FPGA间的权衡便非常重要。 FPGA具有较大的闸门密度、更多的I/O及更低的成本。现在低成本、低密度的FPGA也具备类比PLL、SRAM和片上非挥发性记忆体，而CPLD通常不具备这些功能。

日益增加的BOM成本

许多FPGA产品都需要外接记忆体来启动，有些产品则需要两个分立晶片，还有一些产品则将快闪记忆体和一块SRAM FPGA堆叠在一个封装内。真正的以快闪记忆体为基础的单晶片产品，具有上电即用功能，无需外接启动记忆体。多晶片产品的元件数目多、故障点也就多、BOM成本也会增高。

资格认证和文档

汽车制造业已定义出电子元件文档和品质管制的标准方法。生产件批准程序PPAP是汽车行业用于确保汽车元件供应链中所有零件具体、详细的文档资料的品质管制程序。设计人员应当选择采用PPAP的FPGA元件。

此外，美国汽车电子协会（AEC）已建立模拟各种汽车环境的资格认证和压力测试。引擎盖下的电子设备要求达到AEC-Q100 Grade 1认证标准，该标准检验元件是否能在-40～+135℃的结温范围工作。

对于系统关键性汽车应用，设计人员应选择备有合适可支援的PPAP文档，并能达到AEC-Q100 Grade 1 和 Grade 2认证标准的FPGA产品。

结语

FPGA产品专为降低风险和缩短上市时间而设计，这在汽车应用中非常重要。

真正以快闪记忆体为基础的FPGA技术，将变革汽车电子设计，这种FPGA集合众多优势于一身：低功耗、可重编程性、元件错误免疫能力、符合EMI标准、快速回应、较长的产品寿命、高整合度、扩展的工作温度范围、低成本和合格的文档材料等。在引擎盖下和系统关键性应用中，选用以快闪记忆体为基础的FPGA产品，可让汽车制造商在利润日益减少的汽车市场中，取得进一步的规模经济效益。

（作者为 美商Actel 高可靠性市场拓展总监）