ВЫБОР РЕДАКЦИИ

Материалы Симпозиума SEMI по промышленной политике

Пандемия COVID‑19: цифровая трансформация и цепочки поставок Министерства обороны США

Руководство электронных фирм – о перспективах 2020 г.: опрос журнала Semiconductor Engineering

Развитие сектора информационных систем краевого искусственного интеллекта

Вопросы обеспечения безопасности Интернета вещей

Работы корпорации OmniVision в области автомобильной безопасности

Проблемы безопасности вычислений и связи

Комплексное автомобильное ПО: стратегия развития

Итоги выставки AutoSens‑2019

Проблемы разработки систем DMS

Arm v9 – новая архитектура фирмы ARM

Преимущества и недостатки чиплетов

Использование цифровых двойников в микроэлектронике

Перспективы развития чиплетов

К вопросам интеллектуальной собственности в области внутрикристальных межсоединений

Некоторые проблемы проектирования ASIC

Взгляд изнутри: Китаю желательно использовать подход «больше, чем Мур»

Перспективы рынка СФ‑блоков до 2027 г.

Xilinx пытается облегчить программирование FPGA

GlobalFoundries и стимулирование производственной базы микроэлектроники в США

О важности понимания всех аспектов проектирования

О важности понимания всех аспектов проектирования

Выпуск 14 (6713) от 23 июля 2020 г.
РУБРИКА: АВТОМОБИЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Одна из самых больших проблем, с которыми сталкиваются разработчики систем автомобильной и промышленной электроники, – необходимость комплексного понимания всех аспектов среды проектирования, в первую очередь таких вопросов, как управление температурным режимом, синхронизация, помехоустойчивость, корпусирование, учет условий окружающей среды. Все эти факторы влияют как на выбор полупроводниковых и электронных компонентов, так и на стоимость конечной систем. Недавно журналисты EE Times и нескольких других редакций издательского дома Aspencore обсудили эти вопросы с представителями корпорации Texas Instruments.

Состоявшееся обсуждение охватывало такие темы, как все более сложная роль разработчиков систем; старые и новые технологии, которые разработчикам необходимо освоить для расширения своих возможностей (особенно в области автомобильной электроники); важность обучения на рабочем месте и наставничества. Кроме того, следует рассматривать новые технологии как с точки зрения внедрения их в системы для достижения желаемой функциональности, так и с точки зрения того, какое воздействие эти технологии могут оказывать на ИС, производимые в течение пяти или 10 лет.

Участники обсуждения пришли к выводу, что, возможно, разработчикам придется на ходу переосмыслять или изменять топологию схем, оценивать общие последствия интеграции новых функций. Необходимо продумать всю систему в целом: не только постоянно добавляющиеся новые технологии, но и их влияние на уже имеющиеся старые технологии, что может создать новые ограничения и проблемы.

Разработчикам систем также приходится иметь дело со старыми технологиями, которые вновь становятся «новыми» в различных приложениях. Например, применение высоковольтной изоляции влияет на проектирование всех автомобильных систем. Сама по себе высоковольтная изоляция не новинка, но сейчас она впервые распространяется по всему автомобилю. Некоторые платформы стали выпускаться в расчете на увеличение напряжения. Сегодня большинство автомобилей работают от 12-В аккумуляторных батарей, но за последние пару лет появились и далее будут выпускаться новые автомобильные платформы с 48-В аккумуляторами. Кроме того, когда речь идет о платформах электромобилей, достигающих еще более высоких напряжений – 400–800 В и выше, – изоляция становится для автопроизводителей и разработчиков автомобильной электроники первого уровня все более критичным фактором при проектировании. Дело не только в том, что существующие высоковольтные системы должны взаимодействовать безопасным образом, – необходимо также обеспечить безопасность в отношении оператора транспортного средства и бортовой электроники. Как правило, высоковольтные компоненты для электромобилей или гибридных автомобилей (hybrid electric vehicle, HEV) изолируют от шасси по соображениям функциональной безопасности, а также безопасности пассажиров. Необходимо предотвращать перенапряжение в шине постоянного тока и неконтролируемые переходные процессы, поэтому в некоторых системах необходимо защищать 12-В компоненты от компонентов с более высоким напряжением (48 В или больше). Таким образом, высоковольтная изоляция оказывает и будет оказывать большое влияние на автомобильную промышленность и разработчики автомобильной электроники должны отдавать себе в этом отчет.

Помимо этого, сегодня происходят фундаментальные изменения в архитектуре транспортного средства и некоторых критических компонентах, включая CAN-шину. Существует довольно много систем, требующих изолирования. Производители автомобилей и разработчики автомобильной электроники первого уровня находятся в процессе создания соответствующей технологии и понимают ее значение для конечной системы. В то же время им приходится учитывать, что электродвигатели будут работать при напряжениях около 400–800 В, в зависимости от размера транспортного средства и величины нагрузки. Это скажется на способах подачи мощности на двигатель. В поисках возможностей повысить эффективность управления двигателем разработчики рассматривают такие технологи, как полевые транзисторы на основе карбида кремния (SiC FET) или системы на основе нитрида галлия (GaN).

При переходе к более современным технологиям FET частоты переключения могут повышаться, что дает некоторые преимущества – например, позволяет уменьшить размер пассивных компонентов. Это окажет положительное влияние на плотность мощности, а также на возможность изменения расположения компонентов. Однако по мере изменения компоновки возникают проблемы с электромагнитными помехами, поэтому необходимо продумать конструкцию с точки зрения помехоустойчивости. Аналогично при переходе к более высоким напряжениям и более высоким токам увеличивается важность отвода тепла. Иными словами, ряд проблем, с которыми проектировщики сталкивались в течение многих лет, останутся актуальными еще долго.

Некоторые проблемы интеграции компонентов в малом пространстве могут быть решены за счет реализации подхода «система-на-кристалле» (SoC), для решения других проблем более целесообразен подход «система-в-модуле» (SiP). Хороший пример – радары для широкого спектра применений. Ранее интеграция таких систем была сложной задачей, так как они состояли из дискретных компонентов – аналоговых входных каскадов, преобразователей данных, антенн, блоков обработки данных и синхронизации. Корпорации Texas Instruments удалось создать подход типа «система-в-модуле», пригодный для использования в автомобильной электронике, а также в заводских системах автоматизации производства. Эта фирменная технология упрощает разработку подобных типов систем.

Сегодня сами задачи проектирования начинают меняться: приходится продумывать, например, расположение датчиков с целью получения наилучших измерений углов, обеспечения точной синхронизации систем, объединяющих несколько различных типов датчиков, повышения невосприимчивости к шумам и помехам. Не менее важны и способы управления тепловыделением.

Еще одна проблема, с которой все чаще сталкиваются разработчики, заключается в том, что во многих случаях разрабатываемые печатные платы предназначены для работы в жестких условиях окружающей среды. Так, например, при создании умных производств без участия человека речь может идти о заводах с высоким уровнем запыленности, задымленности, низким уровнем освещения и т. п. Поэтому проектировщикам систем приходится думать не только об электрических взаимодействиях внутри SoC или SiP, но и о надежности корпуса, о выборе методик корпусирования и т. п., с тем чтобы обеспечить надежность изделия в течение всего срока службы.

Таким образом, проектировщикам каждого прибора или системы требуются знания обо всех аспектах проектирования в смежных областях. Существует огромное количество факторов, которые необходимо учитывать в системе не только с точки зрения электронной функциональности, но и с точки зрения проектирования, управления температурным режимом и целостности печатной платы. Так, помимо функциональности проектировщикам приходится задумываться, например, о том, сможет ли система выдержать определенный уровень вибрации или другого воздействия с точки зрения выбираемой методики корпусирования или какому способу сборки компонентов на плате отдать предпочтение, чтобы не вызвать чрезмерную нагрузку на корпус компонента, его сдвиг с нужного места или деформацию печатной платы.

Функциональная безопасность и способы ее проектирования также привлекают все больше внимания. Еще несколько лет назад функциональная безопасность оставалась в основном темой теоретических обсуждений, а ее применение ограничивалось лишь несколькими автомобильными системами – такими как подушки безопасности, системы торможения, управления шасси и стабильностью. В настоящее время соответствующие требования предъявляются практически ко всем автомобильным системам, а также к системам промышленной электроники, где функциональная безопасность становится все более значимой во множестве разнообразных систем.

Сегодня разработчикам необходимо постоянно повышать свой профессиональный уровень, вне зависимости от того, закончили ли они только что учебное заведение или уже обладают большим стажем работы. Следует воспринимать технологический процесс как континуум. Безусловно, недавние выпускники обладают рядом базовых навыков, полученных при обучении, но ничто не заменит того, чему они научатся непосредственно на работе и во взаимодействии с клиентами. Наставничество очень важно для новых специалистов, при этом постоянное внедрение новых технологий делает процесс обучения непрерывным.


Roos Gina, Ogboenyiya Keith. Systems Designers Must Know ‘All Aspects of Design’. EE Times magazine, June 15, 2020: https://www.eetimes.com/systems-designers-must-know-all-aspects-of-design/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 23(6747) от 25 ноября 2021 г. г.
Выпуск 18(6742) от 16 сентября 2021 г. г.
Выпуск 17(6741) от 02 сентября 2021 г. г.