如何使用 C2000? 實(shí)時(shí) MCU 實(shí)現(xiàn)功能安全和網(wǎng)絡(luò)安全的電動(dòng)汽車動(dòng)力總成

本技術(shù)文章系與 Prometo 功能安全和網(wǎng)絡(luò)安全高級(jí)顧問(wèn) Jürgen Belz 共同編寫。

從內(nèi)燃機(jī) (ICE) 過(guò)渡到電動(dòng)汽車 (EV)，需要至少新增五個(gè)電氣/電子/可編程電子 (E/E/PE) 系統(tǒng)。圖 1 描繪了電動(dòng)汽車中的這些系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)零尾氣排放并減少對(duì)化石燃料的持續(xù)依賴，電動(dòng)汽車開(kāi)始在充電站“補(bǔ)充能量”。這些電動(dòng)汽車充電站可使用太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源轉(zhuǎn)化成電能，從而增加電動(dòng)汽車對(duì)環(huán)境的積極影響。車載充電器與高壓電池形成一個(gè)功能單元，確保快速、高效充電，同時(shí)保護(hù)電池免于過(guò)度充電。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 6469 第 1、2 和 3 部分描述了上述及其他安全要求 – 該標(biāo)準(zhǔn)負(fù)責(zé)制定道路電動(dòng)車輛高壓電氣系統(tǒng)的安全要求。

電動(dòng)汽車中的所有電子控制單元 (ECU) 都需要一個(gè)由高壓/低壓直流/直流轉(zhuǎn)換器充電的 12V 電池，這有助于在低壓 (12V) 電池和高壓（400V 或 800V）電池之間實(shí)現(xiàn)電隔離。逆變器和電機(jī)（推進(jìn)電機(jī)）為受控運(yùn)動(dòng)提供扭矩。具有高功率密度且非常緊湊的永磁同步電機(jī)通常部署在電動(dòng)汽車推進(jìn)電機(jī)中。在較低功率級(jí)別下，異步電機(jī)在電動(dòng)汽車中的使用有限。該高壓/低壓直流/直流轉(zhuǎn)換器的功能安全特性可幫助確保在電動(dòng)汽車運(yùn)行時(shí)充分發(fā)揮所有 ECU 功能，ISO 26262:2018 也對(duì)電動(dòng)汽車牽引逆變器 (EVTI) 進(jìn)行了概述。

例如，對(duì)于裝有 ICE 的車輛，半導(dǎo)體元件的工作時(shí)間（或通電小時(shí)數(shù)）在 8,000 到 10,000 小時(shí)之間。而在電動(dòng)汽車中，這會(huì)增加到 30,000 小時(shí)或更多。這是因?yàn)?，半?dǎo)體元件不僅在車輛行駛時(shí)，而且在車輛充電時(shí)都必須保持通電。這種功率值會(huì)帶來(lái)一定的影響，例如，影響 ISO 26262 中隨機(jī)硬件故障概率指標(biāo)的計(jì)算，還需要工程師開(kāi)發(fā)一種元件發(fā)生危險(xiǎn)故障或時(shí)基故障的平均概率要低五倍的系統(tǒng)。

在電氣化動(dòng)力總成中，C2000實(shí)時(shí)微控制器 (MCU) 通常負(fù)責(zé)功率變換并與連接到總線的通用 MCU 通信，實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的安全性，如圖 2 所示。

通常在無(wú)線升級(jí)中，您可能仍要考慮通信 MCU 和 C2000 實(shí)時(shí)控制器之間進(jìn)行加密通信。在上述情況下，您需要評(píng)估威脅級(jí)別并確定系統(tǒng)級(jí)別的安全策略，從而充分利用 C2000 實(shí)時(shí) MCU 提供的各種信息安全機(jī)制，如圖 3 中所列。

支持這些信息安全機(jī)制的一些技術(shù)特性包括：

• 可保護(hù)內(nèi)存塊。

• 總線主控器（例如C28x中央處理單元(CPU)、控制律加速器和直接存儲(chǔ)器存取）的存儲(chǔ)器區(qū)域所有權(quán)。

• 對(duì)某些存儲(chǔ)器區(qū)域提供僅執(zhí)行保護(hù)（在引導(dǎo)只讀存儲(chǔ)器中具有可調(diào)用的安全復(fù)制和安全循環(huán)冗余校驗(yàn)軟件應(yīng)用程序編程接口功能）。

• 在從安全存儲(chǔ)區(qū)域（也稱為安全聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)組）執(zhí)行代碼時(shí)，通過(guò)調(diào)試端口和邏輯保護(hù)CPU免于不當(dāng)訪問(wèn)。

• 每個(gè)產(chǎn)品具有唯一標(biāo)識(shí)。

• 用于128位高級(jí)嵌入式標(biāo)準(zhǔn)(AES)加密的硬件加速引擎。

• 安全啟動(dòng)。

結(jié)語(yǔ)

由于電力驅(qū)動(dòng)或電壓轉(zhuǎn)換器必須具有功能安全、高壓安全、高能效和成本效益，因此挑戰(zhàn)和復(fù)雜性呈指數(shù)級(jí)增加。使用 C2000 實(shí)時(shí) MCU 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，電動(dòng)汽車充電設(shè)計(jì)人員可選擇使用滿足所有這些要求的單個(gè)器件來(lái)解決這些挑戰(zhàn)。

關(guān)于德州儀器(TI)

德州儀器（TI）（納斯達(dá)克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導(dǎo)體公司，致力于設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車、個(gè)人電子產(chǎn)品、通信設(shè)備和企業(yè)系統(tǒng)等市場(chǎng)。我們致力于通過(guò)半導(dǎo)體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟(jì)實(shí)用，創(chuàng)造一個(gè)更美好的世界。如今，每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎(chǔ)之上，使我們的技術(shù)變得更小巧、更快速、更可靠、更實(shí)惠，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，這就是工程的進(jìn)步。這正是我們數(shù)十年來(lái)乃至現(xiàn)在一直在做的事。