汽車系統(tǒng)設(shè)計者從計算和通信市場借鑒了久經(jīng)驗(yàn)證的時鐘設(shè)計最佳方法，而基于硅芯片的時鐘解決方案數(shù)十年來一直是這些市場中優(yōu)選的解決方案。Silicon Labs(亦稱“芯科科技”)時鐘產(chǎn)品高級營銷經(jīng)理Kyle Beckmeyer特別于近期撰寫一篇技術(shù)文章，說明關(guān)于新型智能汽車的時鐘設(shè)計關(guān)鍵需求與理想的時鐘發(fā)生器解決方案。
您將了解到
● 汽車電子中所需的精密參考時鐘數(shù)量正在增加系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性并改變最佳實(shí)踐方法。
● 將時鐘需求從石英換成硅芯片的好處。
● 將多個參考時鐘整合為一個簡化時鐘樹的好處。
● 基于硅的時鐘器件如何為系統(tǒng)設(shè)計人員提供靈活性，并幫助他們滿足安全要求。
汽車電子系統(tǒng)的演進(jìn)
當(dāng)前，汽車電子產(chǎn)品的發(fā)展比以往任何時候都更快，特別是制造商們正在將功能豐富的信息娛樂系統(tǒng)和先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)引入其產(chǎn)品線，同時還在開發(fā)全自動駕駛汽車。先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)正在幫助這些新的車輛系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速的開發(fā)和部署。
在這方面，半導(dǎo)體制造商正在將更多汽車級產(chǎn)品推向市場，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，以及FPGA。采用最新一代的汽車級IC平臺和連接解決方案大大提升了系統(tǒng)能力、功能、性能和成本，但也為系統(tǒng)設(shè)計人員帶來了設(shè)計復(fù)雜性方面的全新挑戰(zhàn)。
這些挑戰(zhàn)之一，就是要滿足處理器、FPGA、交換機(jī)SoC、以太網(wǎng)PHY、USB PHY和PCI Express Gen3/4端點(diǎn)中的高速SerDes對高精度、低抖動參考時鐘日益增長的需求。所有這些器件都正在迅速融入汽車網(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)(LiDAR)和自動駕駛控制單元中。 隨著汽車電子設(shè)備的功能和復(fù)雜性逐步升級，上述系統(tǒng)所需的精密參考時鐘的數(shù)量也在不斷增加。因此，系統(tǒng)設(shè)計者從計算和通信市場借鑒了久經(jīng)驗(yàn)證的時鐘設(shè)計最佳方法，而基于硅芯片的時鐘解決方案數(shù)十年來一直是這些市場中優(yōu)選的解決方案。
從石英到硅芯片的演進(jìn)
從歷史上看，汽車系統(tǒng)設(shè)計采用了帶寬較低的處理器和微控制器，每個電路板設(shè)計中僅需要一個或兩個單端參考時鐘頻率。滿足這些時鐘要求非常簡單，因?yàn)樗鼈儍H需要使用一個或兩個石英晶體或晶體振蕩器。
隨著現(xiàn)代汽車電子設(shè)計中參考時鐘數(shù)量的增加，滿足時鐘要求最簡單的方法就是添加更多的石英晶體或振蕩器。然而，擴(kuò)展基于石英的元器件數(shù)量具有許多缺點(diǎn)和局限性。通常，石英晶體和振蕩器在汽車設(shè)計中具有最高的失效率(FIT)，因此出于對系統(tǒng)可靠性的考慮，添加更多的此類元器件是非常不可取的。
多年來，通信、計算、工業(yè)和消費(fèi)市場一直在使用基于硅芯片的集成時鐘發(fā)生器解決方案而非石英晶體和振蕩器，來滿足其精確的參考時鐘要求。隨著處理器速度和SerDes帶寬水平的提高，對參考時鐘抖動的要求變得越來越難以滿足。
最新一代的汽車網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、ADAS傳感器和自動駕駛平臺正在使用高帶寬處理器、FPGA、千兆/萬兆以太網(wǎng)(1G/10GbE)連接和PCI Express Gen3/4/5數(shù)據(jù)總線，它們都需要RMS相位抖動小于500fs的差分時鐘。時鐘發(fā)生器可以將多達(dá)8個石英晶體或振蕩器的功能整合到單個IC中，并在時鐘輸出上提供出色的RMS相位抖動性能(小于300fs)，同時提供許多其他功能和優(yōu)勢，有助于簡化系統(tǒng)參考時鐘設(shè)計。
簡化時鐘樹以減少故障點(diǎn)
通過匯總系統(tǒng)設(shè)計中所需的參考時鐘組合，可以簡化最佳時鐘解決方案的選擇和定義。通常將一組參考時鐘稱為“時鐘樹”。時鐘樹通常包括輸入?yún)⒖碱l率、端點(diǎn)所需的輸出時鐘頻率、時鐘輸出電平格式，以及通常由每個端點(diǎn)設(shè)備制造商指定的每個參考時鐘的最大抖動性能水平(見下表)。
除了新的汽車處理器、FPGA、連接技術(shù)和數(shù)據(jù)總線半導(dǎo)體解決方案正投入市場之外，符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的基于硅芯片的時鐘解決方案現(xiàn)在也可用于簡化汽車應(yīng)用中的時鐘樹設(shè)計復(fù)雜性。通過將參考時鐘整合到一個集成時鐘發(fā)生器中，系統(tǒng)設(shè)計人員可以減少故障點(diǎn)，提高系統(tǒng)可靠性，并在抖動性能和頻率靈活性方面取得顯著優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的基于石英的器件相比，其他優(yōu)點(diǎn)還包括節(jié)省電路板空間以及降低解決方案總體成本(見下圖)。
與傳統(tǒng)的基于石英的解決方案相比，時鐘發(fā)生器在整合度、成本和可靠性方面具有優(yōu)勢
解決障礙：輻射和冗余
隨著ISO26262和ASIL要求的引入，所有汽車電子設(shè)計始終要把安全性放在最重要的位置上。按照這些新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計可能還會帶來新的挑戰(zhàn)?；诠璧臅r鐘器件可通過提供冗余的主要和備用參考輸入功能、運(yùn)行狀況監(jiān)測功能，以及可與ASIL級別的MCU或系統(tǒng)安全管理IC連接的故障檢測指示引腳，來幫助滿足系統(tǒng)安全級別的目標(biāo)。
過去，汽車電子系統(tǒng)設(shè)計人員一直不愿意采用時鐘發(fā)生器，因?yàn)樵陂L線路上傳送單端LVCMOS時鐘信號，可能會產(chǎn)生不符合CISPR25 Class4或Class5限制要求的潛在輻射。擴(kuò)頻一直是減少輻射的常見措施，但是僅有有限數(shù)量的頻率和端點(diǎn)允許使用擴(kuò)頻參考時鐘。
系統(tǒng)設(shè)計人員現(xiàn)在可以使用互補(bǔ)式LVCMOS輸出驅(qū)動器來克服這些設(shè)計挑戰(zhàn)，最新一代AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)的時鐘發(fā)生器中已提供該驅(qū)動器。再結(jié)合現(xiàn)代的布局設(shè)計指南，輻射水平就可以控制在CISPR25的限值之內(nèi)。
隨著汽車電子技術(shù)的持續(xù)發(fā)展及其復(fù)雜性的不斷增加，半導(dǎo)體供應(yīng)商正在提供更多新型的工業(yè)溫度級AEC-Q100器件。符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的最新一代時鐘發(fā)生器可最大程度地提高靈活性和可編程性，支持系統(tǒng)設(shè)計人員在幾分鐘之內(nèi)根據(jù)一組特定的時鐘樹要求完全定制一套解決方案，而不必等待定制器件的開發(fā)。如果在產(chǎn)品開發(fā)過程中需要更改，則可以通過易用的軟件或者在系統(tǒng)內(nèi)直接使用I2C端口來輕松進(jìn)行更改。
結(jié)論
為了提高乘客的安全性并優(yōu)化體驗(yàn)，汽車制造商正在迅速采用新的網(wǎng)絡(luò)、ADAS和自動駕駛系統(tǒng)，這些系統(tǒng)使用了先進(jìn)的半導(dǎo)體處理器、FPGA、GPU和以太網(wǎng)交換機(jī)/PHY。采用這些帶寬更高的新型平臺會增加設(shè)計的復(fù)雜度，從而加大對高精度、低抖動的單端和差分參考時鐘的需求。
汽車級AEC-Q100時鐘發(fā)生器的推出，為設(shè)計人員提供了集成式高性能解決方案，其能夠?qū)⒄麄€時鐘樹集成到單個IC中，同時與傳統(tǒng)的基于石英的晶體和振蕩器解決方案相比，可以提高可靠性并降低系統(tǒng)成本。
（轉(zhuǎn)載）
