汽車電子產(chǎn)品的發(fā)展速度較以往快速許多，尤其制造商在開發(fā)全自動(dòng)化汽車時(shí)，會(huì)將功能豐富的信息娛樂系統(tǒng)和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)加入產(chǎn)品線。先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)有助于這些新型車輛系統(tǒng)的快速開發(fā)和部署。半導(dǎo)體制造商也逐漸推出汽車級(jí)產(chǎn)品，包括更高帶寬的處理器、GPU、高速PCI-Express交換機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)SoC/PHY和FPGA。最新一代的汽車采用集成電路平臺(tái)和連接解決方案后，在系統(tǒng)能力、功能、性能和成本方面帶來了顯著的效益，但設(shè)計(jì)的復(fù)雜性也給系統(tǒng)設(shè)計(jì)者帶來新的挑戰(zhàn)。
其中一項(xiàng)挑戰(zhàn)是滿足處理器、FPGA、交換機(jī)SOC、以太網(wǎng)物理層、USB物理層和PCIe Express Gen3/4端點(diǎn)中高速SerDes對(duì)高精度、低抖動(dòng)參考時(shí)鐘日益增長(zhǎng)的需求，這些終端可用于汽車網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、信息娛樂系統(tǒng)、數(shù)字駕艙、ADAS、激光雷達(dá)和自動(dòng)駕駛控制單元。在這些不斷發(fā)展的新應(yīng)用中，對(duì)精密參考時(shí)鐘的需求數(shù)量在穩(wěn)定增加，它們需要這些參考時(shí)鐘支持單端和差分時(shí)鐘格式、可變頻率，以及低至300fs的RMS相位抖動(dòng)要求。
本文作者為Silicon Labs時(shí)鐘產(chǎn)品高級(jí)營銷經(jīng)理Kyle Beckmeyer先生
汽車電子技術(shù)的發(fā)展
在汽車史上，汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用較低帶寬的處理器和微控制器，每塊板的設(shè)計(jì)只需要一到兩個(gè)單端參考時(shí)鐘頻率。滿足這些定時(shí)要求很簡(jiǎn)單，因?yàn)樗麄冎恍枋褂靡粌蓚€(gè)石英晶體或晶體振蕩器。隨著現(xiàn)代汽車電子設(shè)計(jì)使用參考時(shí)鐘數(shù)量的增加，滿足定時(shí)要求的最簡(jiǎn)單方法是添加更多的石英晶體或振蕩器;然而，調(diào)整基于石英的組件數(shù)量有許多缺點(diǎn)和局限性。除了增加電路板空間和成本外，石英晶體和振蕩器先天上易受沖擊和振動(dòng)故障的影響，會(huì)造成很高的故障率。增加石英晶體和振蕩器的數(shù)量會(huì)增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的故障點(diǎn)數(shù)以及長(zhǎng)期的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。
多年來，通信、計(jì)算、工業(yè)和消費(fèi)市場(chǎng)一直使用基于硅的集成時(shí)鐘發(fā)生器解決方案來滿足對(duì)精確參考時(shí)鐘定時(shí)的要求，而非石英晶體和振蕩器。為確保系統(tǒng)正常運(yùn)行并將誤碼率降至最低，高精度、低抖動(dòng)的基準(zhǔn)時(shí)鐘在高速設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。隨著處理器速度和SerDes帶寬水平的提高，對(duì)基準(zhǔn)時(shí)鐘的抖動(dòng)要求也變得越來越難以滿足。
最新一代汽車網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、ADAS傳感器和自動(dòng)駕駛平臺(tái)目前正使用高帶寬處理器、FPGA、1G/10GbE連接和PCI-Express Gen3/4/5數(shù)據(jù)總線，這些總線要求差分時(shí)鐘的相位抖動(dòng)須低于500 fs RMS。時(shí)鐘發(fā)生器可以將多達(dá)八個(gè)石英晶體或振蕩器的功能整合到一個(gè)集成電路中，并在時(shí)鐘輸出上提供優(yōu)異的RMS相位抖動(dòng)性能(<300fs RMS)，同時(shí)提供許多附加功能和優(yōu)點(diǎn)，有助于簡(jiǎn)化系統(tǒng)參考時(shí)鐘的設(shè)計(jì)。
時(shí)鐘樹要求持續(xù)增長(zhǎng)
通過整理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所需的參考時(shí)鐘組合，可以選擇和定義最佳的定時(shí)解決方案。一組參考時(shí)鐘通常被稱為“時(shí)鐘樹”。時(shí)鐘樹通常包括輸入?yún)⒖碱l率、端點(diǎn)所需的輸出時(shí)鐘頻率、時(shí)鐘輸出格式以及每個(gè)參考時(shí)鐘最大抖動(dòng)性能的要求，這些往往由每個(gè)終端設(shè)備制造商指定。
除了新的汽車處理器、FPGA、連接和數(shù)據(jù)總線半導(dǎo)體解決方案正投入市場(chǎng)之外，AEC-Q100合規(guī)的硅基時(shí)鐘解決方案現(xiàn)在也可用于簡(jiǎn)化汽車應(yīng)用中日益復(fù)雜的時(shí)鐘樹設(shè)計(jì)問題。通過整合參考時(shí)鐘到集成式時(shí)鐘發(fā)生器中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以減少故障點(diǎn)，提高系統(tǒng)可靠性，并在抖動(dòng)性能和頻率靈活性方面獲得顯著優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)基于石英的器件相比，額外的優(yōu)點(diǎn)包括減少占板面積以及降低解決方案的總成本。
汽車時(shí)鐘解決方案的進(jìn)展
除了在同一設(shè)備產(chǎn)生分?jǐn)?shù)和整數(shù)相關(guān)的輸出頻率外，最新一代AEC-Q100合規(guī)的時(shí)鐘發(fā)生器配備的全新功能也可以幫助簡(jiǎn)化汽車電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)，而這些都是傳統(tǒng)石英晶體或振蕩器解決方案無法具備的。
隨著ISO26262和ASIL要求的引入，安全性始終是所有汽車電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。這些要求也會(huì)帶來新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。要在定時(shí)設(shè)計(jì)方面達(dá)到系統(tǒng)安全層級(jí)的目標(biāo)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用的時(shí)鐘發(fā)生器應(yīng)具備冗余的主要和備用參考輸入功能、健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能以及可以直接與系統(tǒng)安全管理IC通信的故障檢測(cè)指示器。
在過去，汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)者一直不采納時(shí)鐘發(fā)生器，是因?yàn)闈撛诘碾姶排欧艈栴}可能無法符合CISPR25 Class 4或Class5的限制要求。展頻已經(jīng)成為減少電磁排放的一種通用做法，但是在應(yīng)用展頻的情況下，能夠容許參考時(shí)鐘展頻的頻率和端點(diǎn)數(shù)量有限。最近由Silicon Labs(亦稱“芯科科技”)完成的研究和CISPR25測(cè)試顯示，使用互補(bǔ)的LVCMOS輸出驅(qū)動(dòng)器生成的單端時(shí)鐘，結(jié)合新的布局方法和作業(yè)模式，可大幅減少時(shí)鐘的電磁排放，并且在CISPR25 Class 4和Class5的測(cè)試中展現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)果。
最新一代符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘發(fā)生器也完全可以編程，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠根據(jù)特定的時(shí)鐘樹要求，在幾分鐘內(nèi)提供完全定制的解決方案，而無須苦等定制器件的開發(fā)。如果在產(chǎn)品開發(fā)過程中需要更改，則可以通過易于使用的軟件來完成或使用I2C端口直接在系統(tǒng)中進(jìn)行。
為提高乘客的安全性和體驗(yàn)，汽車制造商的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)正迅速采用新的網(wǎng)絡(luò)、ADAS以及利用先進(jìn)的半導(dǎo)體處理器、FPGA、GPU和以太網(wǎng)交換機(jī)/PHY。采用這些新式、更高帶寬的平臺(tái)增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，同時(shí)也增加了對(duì)高精度、低抖動(dòng)的單端和差分參考時(shí)鐘的需求。汽車級(jí)AEC-Q100時(shí)鐘發(fā)生器的推出為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供了集成式高性能解決方案，能夠?qū)⒄麄€(gè)時(shí)鐘樹整合到單一IC電路中，與傳統(tǒng)的石英晶體和振蕩器解決方案相比，可提高可靠性并降低系統(tǒng)成本。
關(guān)于作者
Kyle Beckmeyer是Silicon Labs時(shí)鐘產(chǎn)品高級(jí)營銷經(jīng)理。Beckmeyer負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)中心和汽車市場(chǎng)的產(chǎn)品戰(zhàn)略、新產(chǎn)品推介和業(yè)務(wù)開發(fā)。Kyle擁有超過15年的時(shí)鐘產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)，擁有加州大學(xué)戴維斯分校的電氣工程理學(xué)士學(xué)位和圣克拉拉大學(xué)的商業(yè)管理碩士學(xué)位。
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