汽車可編程技術需求頗高

汽車製造商一直希望獲得可重編程的技術，並具有在漫長的產品生命週期中進行修改和改變的彈性，能以單一平台面向多種產品款型。若在經濟型和豪華型汽車上能夠設計使用單一引擎控制模組或安全系統，汽車製造商就可簡化設計，在其整個產品種類中充分利用各種工程資源。

FPGA進入引擎和安全系統

不過由於引擎蓋下系統和安全系統屬於汽車的關鍵部分，以往現場可編程閘陣列（FPGA）技術一直被拒之門外，僅被使用於那些非系統關鍵性應用中，例如車載資訊通訊系統和資訊娛樂系統。

因此，直到現在，在系統關鍵性應用中，為確保產品具有韌體元件錯誤免疫能力（firm-error immunity）以及在擴展的溫度範圍內工作，汽車製造商一直不得不採用硬連線的ASIC和專用標準產品（ASSP）。如今，可編程控制邏輯技術最終發展，能夠可靠滿足汽車應用中引擎蓋下系統和安全系統的要求，並具成本效益。但在將該技術應用於設計時，還是有很多問題必須考慮。以下便是一些影響FPGA架構選擇的課題。

功耗

並非所有的FPGA在功耗表現方面都相同，但功耗是汽車應用選擇FPGA產品時，需要考慮的一個主要因素。若汽車製造商所選元件是超低功耗器件，設計人員就不必擔心熱可靠性和失控問題。

元件需耐受高溫

顯然引擎蓋下的應用，電子元件要承受極高的溫度。如果FPGA功耗大，會進一步加劇高溫對元件的影響。按照AEC-Q100 Grade 1的標準要求，在引擎蓋下使用的電子元件，必須能在-40～ +135℃的結溫範圍內工作。而且，元件功耗本身過大，也會導致過熱和失效。

快閃記憶體改善FPGA功耗

不過，在採用快閃記憶體技術（Flash Memory）後，FPGA的功耗情況已獲得改觀，不僅漏電流大大降低，同時也實現超低的靜態功耗。這是消除熱可靠性和失控擔憂的一個關鍵因素。事實上，某些以快閃記憶體技術為基礎的汽車等級FPGA，在135℃下靜態電流可低至40mA。

Flash Memory避免韌體元件錯誤

非揮發性（NVM）快閃記憶體是在系統關鍵性設計中，提供韌體元件錯誤免疫能力的關鍵技術。韌體元件錯誤不僅影響汽車電子系統的品質，而且還可能造成人命傷亡事故。

諸如FPGA和CPLD之類的可編程邏輯元件，過去一直採用SRAM作為配置記憶體，SRAM容易產生中子誘發的韌體元件錯誤，失效率（FIT）達到數千。而且，中子誘發的韌體元件錯誤，隨溫度和海拔高度的波動呈指數級增加。非揮發性記憶體就不會遭受中子誘發的韌體元件錯誤，因此具有韌體元件錯誤免疫能力。

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電磁干擾（EMI）

隨著汽車中精細電子設備的數量迅速增加，EMI問題也變得日益突顯。當今汽車上使用的多數電子設備，必須滿足嚴格的電磁輻射標準。EMI會導致舒適性劣化和關鍵性功能失效，如雨刷電機干擾車載娛樂系統、靜電效應造成倒車後視輔助裝置失效等等問題。

在這方面，可重新編程的FPGA能夠一顯身手，FPGA便於設計人員快速、輕鬆調整設計，進而消除和減少EMI干擾。FPGA還有其他一些優勢，包括低功耗、高整合度、實現高速運作的模擬鎖相環（PLL）電路、以低速外部時鐘為源的片上時鐘，以及可編程的I/O轉換速度。

速度

汽車電子設計要求閃電般的快速回應。若比較採用中斷驅動方式的微控制器解決方案，FPGA的回應速度更快，這對安全關鍵性系統和閉環引擎控制模組而言是一大優勢。FPGA的回應時間可縮短到100ns以下，比高性能微控制器MCU快幾個數量級。由於FPGA具有快速回應的能力，可以降低整體時鐘速度，進一步減少EMI和功耗。

產品壽命

汽車設計人員必須考慮設計中所用部件的壽命問題。FPGA的壽命長達15年，相比專用積體電路（ASIC）和ASSP還要長許多。在汽車行業中，元件重新進行資格認證價格非常昂貴。採用可編程邏輯方法來架構一個平台，或者進行設計重用，是解決許多ASSP產品短壽命問題且具成本效益的方法，特別是在那些汽車等級ASSP產品難於採購的應用中尤其如此。

應用焦點

諸如倒車後視輔助設備之類的安全系統、以及嵌入GPS轉向導航和資訊娛樂應用日趨流行，汽車上大量使用LCD液晶顯示器。這類應用都需要低功耗、高可靠性，且可重新編程的解決方案，以便應對不斷演進的LCD標準和技術，進而提供理想的功耗、尺寸和開發週期。

與所能替代的ASSP顯示控制器不同，超低功耗的快閃FPGA能夠快速地重新編程，搭配和支援各種LCD顯示器和不斷變化的顯示技術，因此能夠實現不同汽車控制台設計間的轉移。況且，這些功能豐富的FPGA，可在單晶片中整合額外的膠粘邏輯、以及更為複雜的LCD控制功能，進而減小板卡尺寸。

整合度

隨著晶片中整合的功能越來越多，全面瞭解CPLD和FPGA間的權衡便非常重要。FPGA具有較大的閘門密度、更多的I/O及更低的成本。現在低成本、低密度的FPGA也具備類比PLL、SRAM和片上非揮發性記憶體，而CPLD通常不具備這些功能。

日益增加的BOM成本

許多FPGA產品都需要外接記憶體來啟動，有些產品則需要兩個分立晶片，還有一些產品則將快閃記憶體和一塊SRAM FPGA堆疊在一個封裝內。真正的以快閃記憶體為基礎的單晶片產品，具有上電即用功能，無需外接啟動記憶體。多晶片產品的元件數目多、故障點也就多、BOM成本也會增高。

資格認證和文檔

汽車製造業已定義出電子元件文檔和品質管制的標準方法。生產件批准程序PPAP是汽車行業用於確保汽車元件供應鏈中所有零件具體、詳細的文檔資料的品質管制程序。設計人員應當選擇採用PPAP的FPGA元件。

此外，美國汽車電子協會（AEC）已建立模擬各種汽車環境的資格認證和壓力測試。引擎蓋下的電子設備要求達到AEC-Q100 Grade 1認證標準，該標準檢驗元件是否能在-40～+135℃的結溫範圍工作。

對於系統關鍵性汽車應用，設計人員應選擇備有合適可支援的PPAP文檔，並能達到AEC-Q100 Grade 1 和 Grade 2認證標準的FPGA產品。

結語

FPGA產品專為降低風險和縮短上市時間而設計，這在汽車應用中非常重要。

真正以快閃記憶體為基礎的FPGA技術，將變革汽車電子設計，這種FPGA集合眾多優勢於一身：低功耗、可重編程性、元件錯誤免疫能力、符合EMI標準、快速回應、較長的產品壽命、高整合度、擴展的工作溫度範圍、低成本和合格的文檔材料等。在引擎蓋下和系統關鍵性應用中，選用以快閃記憶體為基礎的FPGA產品，可讓汽車製造商在利潤日益減少的汽車市場中，取得進一步的規模經濟效益。

（作者為 美商Actel 高可靠性市場拓展總監）