英飛凌電源管理PMIC的安全應(yīng)用

摘要

本篇文檔主要用來介紹英飛凌電源管理芯片TLF35584的使用，基于電動助力轉(zhuǎn)向應(yīng)用來介紹。包含一些安全機制的執(zhí)行。

TLF35584介紹

TLF35584是英飛凌推出的針對車輛安全應(yīng)用的電源管理芯片，符合ASIL D安全等級要求，具有高效多電源輸出通道，寬電壓輸入范圍,根據(jù)不同的型號有3.3V和5.0V兩種命名?？梢詾?a class="article-link" target="_blank" href="/e/1604036.html">MCU提供600mA的電源，可以提供200mA的電源給通信，還可以提供精確的參考電壓給ADC使用，具有SPI通信，可以監(jiān)控和配置該芯片。我們以TLF35584QVVS2型號的使用來做介紹。TLF35584的封裝類型以及電壓分類如下表所示：

TLF35584系統(tǒng)框圖

管腳介紹

典型應(yīng)用框圖

安全功能

TLF35584提供了很多安全功能來保證系統(tǒng)的安全

輸出電源軌監(jiān)控

Vprereg

VQUC

VQST

VQVR

VVCI

VQT1, ?VQT2

VQCO

提供MCU外部安全機制的時序時間監(jiān)控服務(wù)

監(jiān)控MCU的SMU ?ERR輸出功能

監(jiān)控MCU的看門狗輸出服務(wù)

二次安全關(guān)斷能力

TSR

TSR01 -在所有產(chǎn)生和監(jiān)控的輸出電壓上檢測和響應(yīng)故障。違反將會導(dǎo)致系統(tǒng)級的單點失效

TSR02 -檢測并響應(yīng)MCU安全管理單元(SMU)的錯誤觸發(fā)。違反會導(dǎo)致潛伏失效或者多點失效

TSR03 -檢測并響應(yīng)由MCU錯誤觸發(fā)的定時監(jiān)控服務(wù)，違反會導(dǎo)致潛伏失效或者多點失效

TSR04 -內(nèi)部需要時激活二次關(guān)斷信號，違反TSR04可能會導(dǎo)致潛伏失效

安全功能應(yīng)用

安全路徑

安全路徑是信號鏈和電路使能并維持系統(tǒng)的安全狀態(tài)。對于一些TLF35584目標(biāo)應(yīng)用，達到了安全狀態(tài)

通過禁用執(zhí)行器、通信通道或整個系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中，安全路徑是安全停機路徑。

首要安全路徑

主要安全路徑不是由PMIC管理的，而是由MCU單片機控制的。因此，主安全路徑不依賴于PMIC的安全邏輯。通常,這類安全路徑是通過安全MCU建立的。該單片機可以使應(yīng)用程序始終處于安全狀態(tài)，使用的條件在有效范圍內(nèi)，外部安全機制可用。

二次安全路徑

二次安全路徑或者叫二次關(guān)斷路徑是通過PMIC的安全功能實現(xiàn)的。在PMIC的安全功能TSR需求中，系統(tǒng)的安全狀態(tài)是通過PMIC的安全狀態(tài)輸出達到的，也就是說通過TLF35584的SS1和SS2輸出連接到系統(tǒng)電路可以釋放或者進入安全狀態(tài)，這種機制可以在檢測到關(guān)鍵失效時候進入安全狀態(tài)已達到安全目標(biāo)。

安全狀態(tài)

系統(tǒng)的安全狀態(tài)被認為是沒有任何不合理的高水平風(fēng)險的運行模式

Assumption: [SM_00_01]

只要TLF35584處于安全狀態(tài)(通過激活二次安全關(guān)機路徑，即SS1/SS2處于低電平表示)，則子系統(tǒng)處于安全狀態(tài)。

TLF35584包括許多安全設(shè)計功能和安全機制，以支持實現(xiàn)技術(shù)安全分析總結(jié)報告中定義的安全級別的安全要求.

安全特性

安全特性概覽

安全特性如下圖中標(biāo)紅色部分所示

輸出電壓監(jiān)控

TLF35584為所有輸出提供了獨立的電源監(jiān)控功能，每一路輸出都包含獨立的過壓和欠壓監(jiān)控

帶隙基準(zhǔn)和內(nèi)部電壓監(jiān)控

所有的內(nèi)部電壓也會被監(jiān)控，如果出現(xiàn)異常會進入POWNDOWN狀態(tài)。TLF35584包含兩路互相獨立的帶隙基準(zhǔn)參考電壓互相監(jiān)控對方的操作。如果超過某一預(yù)設(shè)的門限值，TLF35584將會產(chǎn)生一個中斷給到外部，MCU可以利用這個中斷做一些響應(yīng)。

熱關(guān)斷

TLF35584包含熱監(jiān)控以保護設(shè)備在高溫條件下?lián)p壞，內(nèi)部有多點的溫度保護來防止器件損壞，如果檢測到過溫，會產(chǎn)生中斷給到MCU， MCU應(yīng)當(dāng)作出一些反映，如可以關(guān)斷某路電源輸出。

錯誤管腳監(jiān)控

TLF35584提供一個可以通過ERR腳監(jiān)控MCU的安全管理單元SMU，一個預(yù)定義的頻率范圍的翻轉(zhuǎn)方波信號必須給到TLF35584的ERR腳，如果是超過頻率范圍的信號給到ERR腳會引起報故障，TLF35584將會進入INT狀態(tài)。默認情況下ERR腳功能是使能的。

窗口看門狗

TLF35584包含一個窗口看門狗來監(jiān)控MCU的運行，需要一定間隔內(nèi)收到觸發(fā)信號，可以通過WDI腳或者SPI，在一定的開窗時間內(nèi)或者超時觸發(fā)都會被認為是無效的看門狗觸發(fā)，無效看門狗觸發(fā)事件將會引起內(nèi)部錯誤計數(shù)器加2，并且產(chǎn)生中斷，有效的看門狗觸發(fā)事件將會引起錯誤計數(shù)減1，如果錯誤計數(shù)器超過配置的門限值，TLF35584將會跳轉(zhuǎn)到INT狀態(tài)。默認條件下窗口看門狗是使能的，需要注意的是窗口看門狗和功能看門狗是相互獨立的，可以同時使能使用。

功能看門狗

功能看門狗稍微復(fù)雜一些，也叫問答看門狗，通過多個SPI通信幀完成。TLF35584產(chǎn)生一個問題，同時心跳計數(shù)器開始從0向上計數(shù)，直到心跳周期結(jié)束，心跳周期可以通過SPI調(diào)整配置，4個字節(jié)的響應(yīng)答案必須在心跳周期結(jié)束之前收到。最后一個收到的響應(yīng)必須同步寫入同步寄存器以復(fù)位心跳計數(shù)器。如果接收到正確的答案響應(yīng)，認為是一次有效的看門狗觸發(fā)事件，有效的看門狗觸發(fā)事件會導(dǎo)致內(nèi)部錯誤計數(shù)器減1，無效的看門狗觸發(fā)事件將會導(dǎo)致內(nèi)部錯誤計數(shù)器加2，并且產(chǎn)生中斷。如果錯誤計數(shù)器超過預(yù)設(shè)的門限值，將會跳轉(zhuǎn)到INT狀態(tài)。默認情況下功能看門狗是禁止的，和窗口看門狗可以獨立使用，互不干涉。

二次安全關(guān)斷能力

TLF35584具有二次安全關(guān)斷能力，在應(yīng)用中安全狀態(tài)輸出引腳SS1和SS2的狀態(tài)用來表明設(shè)備的安全狀態(tài)。

軟錯誤檢測和修正

TLF35584通過一些寄存器提供了軟錯誤的檢測和修正安全機制，包括單個位錯誤的檢測和修正，以及兩個位錯誤的檢測。兩個位錯誤會引起中斷。

安全機制軟件需求

TLF35584在安全相關(guān)應(yīng)用中用作微處理器電源。安全機制必須由相應(yīng)的微處理器執(zhí)行，以保證系統(tǒng)的正確運行。

SPI通信

來自微處理器的SPI通信用于配置TLF35584，服務(wù)看門狗和監(jiān)控狀態(tài)寄存器，由于SPI通信是用來傳輸安全相關(guān)信息的，因此需要采取措施保證其數(shù)據(jù)的完整性

奇偶校驗

Assumption: [SM_SPI_01]

SPI通信中的奇偶校驗位為每次通信進行檢查。具有無效奇偶校驗信息的數(shù)據(jù)必須被忽略。

奇偶校驗位在SPI期間防止單比特故障和奇數(shù)比特錯誤的故障溝通。為了提供更全面的誤差覆蓋范圍，可以考慮額外的措施。如果在讀操作過程中奇偶校驗信息不正確，微處理器必須忽略數(shù)據(jù)和重做讀操作

如果寫操作過程中的校驗信息不正確，TLF35584將忽略該數(shù)據(jù)并產(chǎn)生中斷。微處理器應(yīng)該響應(yīng)中斷并檢查中斷源，即檢查是否SPI.PARE位置位。如果寫操作失敗，微處理器應(yīng)該重復(fù)這個操作。

配置

Assumption: [SM_SPI_02]

write-verify-apply過程用于對安全相關(guān)配置的寫訪問。因此，數(shù)據(jù)應(yīng)是在寫入數(shù)據(jù)之后和應(yīng)用于應(yīng)用程序之前進行驗證。預(yù)期配置的驗證至少每次配置校驗一次，并根據(jù)應(yīng)用程序可以重新配置。

所有與安全相關(guān)的配置寄存器(稱為“受保護的寄存器”)都由定義的LOCK/UNLOCK過程，允許在數(shù)據(jù)激活之前對其進行驗證。

清除狀態(tài)和中斷寄存器

所有狀態(tài)和中斷標(biāo)志在清除之前被正確讀取。掛起的中斷沒有正確清除服務(wù)

中斷信號

Assumption: [SM_INT_01]

根據(jù)具體的應(yīng)用，在將中斷信號用作安全功能的應(yīng)用中，對每個中斷信號的正確功能進行驗證。

中斷的處理，當(dāng)產(chǎn)生中斷，應(yīng)遵循：

可以實施超時，其到期應(yīng)視為測試失敗。持續(xù)時間超時時間應(yīng)根據(jù)所選擇的中斷源設(shè)置

讀取中斷狀態(tài)寄存器并驗證中斷標(biāo)志是否與生成的特定中斷相匹配

中斷響應(yīng)

Assumption: [SM_INT_02]

微處理器檢查每個中斷事件的中斷源，并根據(jù)應(yīng)用程序做出反應(yīng)要求。

Assumption: [SM_INT_03]

如果通過中斷狀態(tài)標(biāo)志SYSSF.CFGE檢測到一個配置錯誤，MCU應(yīng)該對設(shè)備進行重新配置

復(fù)位輸出使用

Assumption: [SM_ROT_01]

TLF35584的復(fù)位輸出腳ROT連接到MCU的復(fù)位輸入引腳，當(dāng)有復(fù)位引腳輸出，主要安全路徑激活。

備用Stand-by LDO使用

Assumption: [SM_SBL_01]

在備用LDO用作微控制器的存儲器電源供給時，需要每個周期確認驗證下此LDO是否安全。

獨立的二次安全關(guān)斷路徑

Assumption: [SM_SS_01]

必須確保主要安全關(guān)斷路徑和二次安全關(guān)斷路徑的獨立性，不能存在任何的依賴關(guān)系。

一次關(guān)斷路徑或者腳主要關(guān)斷路徑由MCU控制。

Assumption: [SM_SS_02]

在將二次關(guān)斷路徑用作安全功能的應(yīng)用中，根據(jù)不同的應(yīng)用，要驗證其正確的功能，每個周期至少需要一次安全功能驗證。

窗口看門狗

Assumption: [SM_WWD_01]

在將窗口看門狗用作安全功能的應(yīng)用程序中，根據(jù)應(yīng)用至少在每個駕駛周期驗證一次窗口看門狗的正確性

Assumption: [SM_WWD_02]

在將窗口看門狗用作安全功能的應(yīng)用程序中，其正確的功能包括微處理器復(fù)位信號ROT和安全狀態(tài)輸出的激活在每個周期至少驗證一次。

功能看門狗

Assumption: [SM_FWD_01]

在將功能看門狗用作安全功能的應(yīng)用中，至少要驗證其正確的功能，每個駕駛周期一次，取決于應(yīng)用程序。

Assumption: [SM_FWD_02]

在功能看門狗作為安全功能發(fā)布的應(yīng)用程序中，其正確的功能包括微處理器復(fù)位信號ROT和安全狀態(tài)輸出的激活在每次駕駛中至少驗證一次，周期取決于應(yīng)用程序。

ERR引腳監(jiān)控

Assumption: [SM_ERR_01]

在將ERR引腳用作安全功能的應(yīng)用程序中，每次至少驗證一次其正確功能，驅(qū)動周期取決于應(yīng)用。

Assumption: [SM_ERR_02]

在ERR引腳用作安全功能的應(yīng)用中，其正確的功能包括微處理器復(fù)位信號ROT和安全狀態(tài)輸出的激活在每個駕駛周期至少驗證一次。

請注意，測試程序的可用性取決于錯誤引腳監(jiān)控的配置應(yīng)用:立即行動與恢復(fù)延遲

監(jiān)控組件

Assumption: [SM_MON_01]

在監(jiān)控塊用作安全功能的應(yīng)用程序中，監(jiān)視器的正確功能，每個使用的監(jiān)視器每個驅(qū)動周期至少驗證一次對中斷信號的監(jiān)控。

Assumption: [SM_MON_02]

在監(jiān)控塊用作安全功能的應(yīng)用程序中，監(jiān)視器的正確功能在對每個已使用的監(jiān)視器至少進行一次驗證，以激活安全狀態(tài)輸出周期取決于應(yīng)用程序。

ABIST

ABIST的檢測由MCU發(fā)起請求

詳細執(zhí)行規(guī)則可以參考SM手冊要求，這里不在贅述。

監(jiān)控功能恢復(fù)

如果對設(shè)備的監(jiān)督功能的測試導(dǎo)致異常或失敗，則相應(yīng)的監(jiān)督功能應(yīng)被認為是非活性的，并應(yīng)考慮相應(yīng)的系統(tǒng)反應(yīng)以確保安全操作。由于缺乏監(jiān)督功能并不一定意味著違反了安全目標(biāo)，微控制器可以控制場景，以增加系統(tǒng)的可用性。進一步講系統(tǒng)集成者可以預(yù)見恢復(fù)機制，使監(jiān)管恢復(fù)有效運作。，如可以重新配置有問題的配置，或者重啟TLF35584.

硬件需求

二次關(guān)斷路徑

Assumption: [SM_SS_03]

在應(yīng)用中要確保SS1和SS2的高電平輸出被認為是使二次安全關(guān)斷路徑無效，低電平或者高阻態(tài)被認為是激活安全關(guān)斷路徑的信號。

Assumption: [SM_SS_04]

SS1和SS2之間的延遲不能被視為安全特性

最大額定值

Assumption: [SM_ABS_01]

在任何操作下都不能違反數(shù)據(jù)手冊中電氣參數(shù)的最大額定值

電壓電流

溫度

外部器件的選擇

反相保護

因為TLF35584本身不能夠處理反相供電的情況，所以需要外部系統(tǒng)層的額外電路來處理電池電壓的反接情況。

輸入濾波

為了使TLF35584都在額定電氣參數(shù)范圍內(nèi)操作，強烈建議添加輸入濾波器，以限制電源線上的尖峰，相關(guān)的參數(shù)可以從TLF35584的EMC測試報告中獲取。

過流限制

強烈建議在管腳添加限流電阻，防止引腳的電流超過手冊的限制值。輸入電壓VST的限制主要靠前級降壓器件來提供可靠輸入。如我們的應(yīng)用中的LM5085.

主要分為兩類

一類是連接到電池電壓等級的ENA和WAK腳必須小心處理過流和反相，至少大于10K的串聯(lián)電阻

第二類是像SPI（SCS,SCL,SDI,SDO）,INT,ROT,WDI,SYN,EVC 至少串聯(lián)一個大于50歐姆的電阻，電阻布局的位置也需在系統(tǒng)級考慮。

ERR腳保護

在MCU的SMU故障輸出腳P33.8和TLF35584的ERR腳之間串聯(lián)大于1K的電阻。

電壓域的分離

強烈建議將ECU內(nèi)的高、低壓區(qū)分開，在不同組的信號之間的電路以減少短路的風(fēng)險。這可以通過在PCB布線中使用足夠的間隙來完成任何外部高壓和內(nèi)部低壓信號之間。在這種情況下應(yīng)給予特別考慮不同域的信號在引腳上連接。

外部被動元器件

必須強制確保連接到TLF35584的外部器件在數(shù)據(jù)手冊要求的范圍內(nèi)，如輸出電感，電容等。外部器件組件的失效必須在系統(tǒng)層級覆蓋，可以使用冗余外部器件，提高系統(tǒng)層級的可靠性。可以參考數(shù)據(jù)手冊有關(guān)外部器件要求更詳細的信息，這里只給出簡單的要求

總結(jié)：

要根據(jù)自己的應(yīng)用選擇內(nèi)外安全機制去執(zhí)行，提高系統(tǒng)的安全。