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|技术文章—简化汽车和工业领域的功能安全认证


合理的功能安全设计离不开严谨的态度和大量的文档参考 ， 也需要投入一定的时间 。 无论您从事工厂车间还是公路方面的设计 ， 此白皮书中 TI 的集成电路 (IC) 设计方法都会为您提供所需的资源 ， 从而简化功能安全设计 。 随着工业和汽车领域自动化的出现 ， 人们对功能安全的需求有增无减 。 所有的工业应用都有功能安全要求 ， 尤其是在工厂自动化和控制系统中 。
在汽车行业 ， 尽管安全气囊和制动系统在多年前就具备了功能安全性 ， 但随着电气化水平的提高和自动驾驶功能的出现 ， 系统需要控制电池管理、传感器融合和车辆操作 ， 进而增加了对功能安全设计的需求 。 无论是设计工厂机器人系统、家用电器还是未来的汽车 ， 人们对设计工程师提出了更高的要求 ， 即交付的项目应符合应用相关的功能安全标准 。 在不要求遵循标准的应用中 ， 设计更安全的系统是在同类竞争产品中脱颖而出的关键因素 。
功能安全标准
功能安全是系统整体安全性的一部分 ， 是对某些输入或故障状态做出预测性响应 。 功能安全标准认为危险总是存在的 ， 因此 ， 所有系统都有一个固有故障率 。 功能安全标准对如何开发系统作出了规定 ， 从而将故障率降低到可容忍水平 。 包含功能安全的系统设计必须能降低由操作不当引发故障的风险 ， 还能检测故障并充分降低故障造成的影响 。 为实现功能安全合规性 ， 工程师必须：
? 预测并定义危险状况 。
? 确定能应对危险状况的安全功能 。
? 评估安全功能的风险降低等级 。
? 确保安全功能符合设计初衷 。
功能安全标准是由标准组织以及相关行业企业共同制定的 ， 它通过定义系统中的安全功能和建立安全等级评定规范 ， 为设计人员提供了指导 。 德州仪器(TI) 加入标准组织 ， 有助于确保其产品开发从始至终都符合功能安全要求 。 常见的安全标准包括国际电工委员会 (IEC) 的61508 标准（针对工业应用）、国际标准化组织(ISO) 的 26262 标准（针对汽车应用）以及 IEC60730 标准（针对家用电器） 。 各类安全标准都规定了风险降低等级和安全完整性等级 (SIL) 。 例如 ， IEC 61508 标准将 SIL 划分为SIL 1 至 SIL 4 四个等级 ， 其中 SIL 4 的要求最高 。 SIL 1 要求安全可用性为 90% 至 99% ， 平均要求失效率 (PFDavg) 为 0.1 至 0.01 ， 风险降低因子 (RRF) 为 10 至 100 。 SIL 4 要求安全可用性>99.99% ， PFDavg 为 0.0001 至 0.00001 ， RRF为 10,000 至 100,000 。
ISO 26262 标准的 ASIL 等级与 SIL 类似 ， 即从ASIL A 至 ASIL D ， 其中 ASIL D 的要求最高 。 功能安全流程在功能安全开发流程中 ， 通常需要先确定各种危险情况和功能安全目标 。 然后 ， 工程师开始检查系统架构、模块和 IC 。 之后 ， 将 IC 作为符合功能安全标准系统的主要构建块进行开发 。 为预测系统可能出现的行为 ， 工程师必须量化和预测模块的运行情况 。 为此 ， 工程师必须在开发流程中对系统进行结构化安全定性分析 ， 从而找出各种失效模式、失效原因及其影响 。 功能安全标准规定了工程师需要了解的 IC 相关信息 ， 便于工程师独立进行失效模式、影响和诊断分析 (FMEDA) 。 由于 IC 的复杂度不同 ， 系统安全分析可能需要有关设计、芯片和封装的信息 。
在此过程中 ， 请务必从可靠的供应商处选择合适的器件 。 无论是用于功能安全设计 ， 还是用于实现差异化竞争的较安全系统中 ， TI 都能让工程师更轻松地找到并使用合适的产品 。
借助功能安全类别简化器件的选择
典型的工业和汽车应用需要复杂度迥异的大量 IC ， 如一个或多个传感器和传动器 ， 处理传感器数据的微控制器 (MCU) 或处理器 ， 模拟多路复用器 ， 运算或仪表放大器 ， 可能与或未与处理器集成的模数转换器 (ADC) 和数模转换器 ， 直流/直流转换器 ， 低压降稳压器或电源管理 IC (PMIC) ， 以及 LED 驱动器、电机驱动器、电磁阀驱动器、场效应晶体管(FET) 和绝缘栅双极晶体管栅极驱动器等驱动器元件 ， 电源开关和负载开关 。 另外 ， 应用还包括各类通信接口 ， 如 RS-485、控制器区域网 (CAN)、以太网、FPD-Link 和外围组件快速互连 (PCIe) 接口 。 表 1 所示是 TI 为功能安全设计提供的产品类别 ， 这也表明了基于标准的 IC 复杂度分类依据 。 这些类别包括 TI 功能安全型、TI 功能安全质量管理型、TI 功能安全合规型 。


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