合理的功能安全設計離不開(kāi)嚴謹的態(tài)度和大量的文檔參考，也需要投入一定的時(shí)間。無(wú)論您從事工廠(chǎng)車(chē)間還是公路方面的設計，此白皮書(shū)中 TI 的集成電路 (IC) 設計方法都會(huì )為您提供所需的資源，從而簡(jiǎn)化功能安全設計。隨著(zhù)工業(yè)和汽車(chē)領(lǐng)域自動(dòng)化的出現，人們對功能安全的需求有增無(wú)減。所有的工業(yè)應用都有功能安全要求，尤其是在工廠(chǎng)自動(dòng)化和控制系統中。

 

在汽車(chē)行業(yè)，盡管安全氣囊和制動(dòng)系統在多年前就具備了功能安全性，但隨著(zhù)電氣化水平的提高和自動(dòng)駕駛功能的出現，系統需要控制電池管理、傳感器融合和車(chē)輛操作，進(jìn)而增加了對功能安全設計的需求。無(wú)論是設計工廠(chǎng)機器人系統、家用電器還是未來(lái)的汽車(chē)，人們對設計工程師提出了更高的要求，即交付的項目應符合應用相關(guān)的功能安全標準。在不要求遵循標準的應用中，設計更安全的系統是在同類(lèi)競爭產(chǎn)品中脫穎而出的關(guān)鍵因素。

 

功能安全標準

 

功能安全是系統整體安全性的一部分，是對某些輸入或故障狀態(tài)做出預測性響應。功能安全標準認為危險總是存在的，因此，所有系統都有一個(gè)固有故障率。功能安全標準對如何開(kāi)發(fā)系統作出了規定，從而將故障率降低到可容忍水平。包含功能安全的系統設計必須能降低由操作不當引發(fā)故障的風(fēng)險，還能檢測故障并充分降低故障造成的影響。為實(shí)現功能安全合規性，工程師必須：

 

• 預測并定義危險狀況。

• 確定能應對危險狀況的安全功能。

• 評估安全功能的風(fēng)險降低等級。

• 確保安全功能符合設計初衷。

 

功能安全標準是由標準組織以及相關(guān)行業(yè)企業(yè)共同制定的，它通過(guò)定義系統中的安全功能和建立安全等級評定規范，為設計人員提供了指導。德州儀器(TI) 加入標準組織，有助于確保其產(chǎn)品開(kāi)發(fā)從始至終都符合功能安全要求。常見(jiàn)的安全標準包括國際電工委員會(huì ) (IEC) 的61508 標準（針對工業(yè)應用）、國際標準化組織(ISO) 的 26262 標準（針對汽車(chē)應用）以及 IEC60730 標準（針對家用電器）。各類(lèi)安全標準都規定了風(fēng)險降低等級和安全完整性等級 (SIL)。例如，IEC 61508 標準將 SIL 劃分為SIL 1 至 SIL 4 四個(gè)等級，其中 SIL 4 的要求最高。SIL 1 要求安全可用性為 90% 至 99%，平均要求失效率 (PFDavg) 為 0.1 至 0.01，風(fēng)險降低因子 (RRF) 為 10 至 100。SIL 4 要求安全可用性>99.99%，PFDavg 為 0.0001 至 0.00001，RRF為 10,000 至 100,000。

 

ISO 26262 標準的 ASIL 等級與 SIL 類(lèi)似，即從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開(kāi)發(fā)流程中，通常需要先確定各種危險情況和功能安全目標。然后，工程師開(kāi)始檢查系統架構、模塊和 IC。之后，將 IC 作為符合功能安全標準系統的主要構建塊進(jìn)行開(kāi)發(fā)。為預測系統可能出現的行為，工程師必須量化和預測模塊的運行情況。為此，工程師必須在開(kāi)發(fā)流程中對系統進(jìn)行結構化安全定性分析，從而找出各種失效模式、失效原因及其影響。功能安全標準規定了工程師需要了解的 IC 相關(guān)信息，便于工程師獨立進(jìn)行失效模式、影響和診斷分析 (FMEDA)。由于 IC 的復雜度不同，系統安全分析可能需要有關(guān)設計、芯片和封裝的信息。

 

在此過(guò)程中，請務(wù)必從可靠的供應商處選擇合適的器件。無(wú)論是用于功能安全設計，還是用于實(shí)現差異化競爭的較安全系統中，TI 都能讓工程師更輕松地找到并使用合適的產(chǎn)品。

 

借助功能安全類(lèi)別簡(jiǎn)化器件的選擇

 

典型的工業(yè)和汽車(chē)應用需要復雜度迥異的大量 IC，如一個(gè)或多個(gè)傳感器和傳動(dòng)器，處理傳感器數據的微控制器 (MCU) 或處理器，模擬多路復用器，運算或儀表放大器，可能與或未與處理器集成的模數轉換器 (ADC) 和數模轉換器，直流/直流轉換器，低壓降穩壓器或電源管理 IC (PMIC)，以及 LED 驅動(dòng)器、電機驅動(dòng)器、電磁閥驅動(dòng)器、場(chǎng)效應晶體管(FET) 和絕緣柵雙極晶體管柵極驅動(dòng)器等驅動(dòng)器元件，電源開(kāi)關(guān)和負載開(kāi)關(guān)。另外，應用還包括各類(lèi)通信接口，如 RS-485、控制器區域網(wǎng) (CAN)、以太網(wǎng)、FPD-Link 和外圍組件快速互連 (PCIe) 接口。表 1 所示是 TI 為功能安全設計提供的產(chǎn)品類(lèi)別，這也表明了基于標準的 IC 復雜度分類(lèi)依據。這些類(lèi)別包括 TI 功能安全型、TI 功能安全質(zhì)量管理型、TI 功能安全合規型。

 

功能安全合規型產(chǎn)品

 

這類(lèi)產(chǎn)品通常都是系統中相當復雜的器件，如MCU、處理器或模擬電機驅動(dòng)器，可能具有集成的安全功能。TI 使用經(jīng) Technischer Überwachungsverein (TÜV)SÜD 等機構認證的功能安全開(kāi)發(fā)流程，開(kāi)發(fā)了這類(lèi)產(chǎn)品。這類(lèi)認證可確保這一類(lèi)別的產(chǎn)品是按照功能安全標準（ISO26262 和 IEC61508）規定的規格開(kāi)發(fā)的。