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)全自動化汽車時，會將功能豐富的信息娛樂系統(tǒng)和高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)加入產(chǎn)品線。先進的半導體技術(shù)有助于這些新型車輛系統(tǒng)的快速開發(fā)和部署。半導體制造商也逐漸推出汽車級產(chǎn)品，包括更高帶寬的處理器、GPU、高速PCI-Express交換機、以太網(wǎng)交換機SoC/PHY和FPGA。最新一代的汽車采用集成電路平臺和連接解決方案后，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)計的復雜性也給系統(tǒng)設(shè)計者帶來新的挑戰(zhàn)。
其中一項挑戰(zhàn)是滿足處理器、FPGA、交換機SOC、以太網(wǎng)物理層、USB物理層和PCIe Express Gen3/4端點中高速SerDes對高精度、低抖動參考時鐘日益增長的需求，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、激光雷達和自動駕駛控制單元。在這些不斷發(fā)展的新應(yīng)用中，對精密參考時鐘的需求數(shù)量在穩(wěn)定增加，它們需要這些參考時鐘支持單端和差分時鐘格式、可變頻率，以及低至300fs的RMS相位抖動要求。
本文作者為Silicon Labs時鐘產(chǎn)品高級營銷經(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)計使用較低帶寬的處理器和微控制器，每塊板的設(shè)計只需要一到兩個單端參考時鐘頻率。滿足這些定時要求很簡單，因為他們只需使用一兩個石英晶體或晶體振蕩器。隨著現(xiàn)代汽車電子設(shè)計使用參考時鐘數(shù)量的增加，滿足定時要求的最簡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故障的影響，會造成很高的故障率。增加石英晶體和振蕩器的數(shù)量會增加系統(tǒng)設(shè)計的故障點數(shù)以及長期的可靠性風險。
多年來，通信、計算、工業(yè)和消費市場一直使用基于硅的集成時鐘發(fā)生器解決方案來滿足對精確參考時鐘定時的要求，而非石英晶體和振蕩器。為確保系統(tǒng)正常運行并將誤碼率降至最低，高精度、低抖動的基準時鐘在高速設(shè)計中至關(guān)重要。隨著處理器速度和SerDes帶寬水平的提高，對基準時鐘的抖動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傳感器和自動駕駛平臺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鐘的相位抖動須低于500 fs RMS。時鐘發(fā)生器可以將多達八個石英晶體或振蕩器的功能整合到一個集成電路中，并在時鐘輸出上提供優(yōu)異的RMS相位抖動性能(<300fs RMS)，同時提供許多附加功能和優(yōu)點，有助于簡化系統(tǒng)參考時鐘的設(shè)計。
時鐘樹要求持續(xù)增長
通過整理系統(tǒng)設(shè)計中所需的參考時鐘組合，可以選擇和定義最佳的定時解決方案。一組參考時鐘通常被稱為“時鐘樹”。時鐘樹通常包括輸入?yún)⒖碱l率、端點所需的輸出時鐘頻率、時鐘輸出格式以及每個參考時鐘最大抖動性能的要求，這些往往由每個終端設(shè)備制造商指定。
除了新的汽車處理器、FPGA、連接和數(shù)據(jù)總線半導體解決方案正投入市場之外，AEC-Q100合規(guī)的硅基時鐘解決方案現(xiàn)在也可用于簡化汽車應(yīng)用中日益復雜的時鐘樹設(shè)計問題。通過整合參考時鐘到集成式時鐘發(fā)生器中，系統(tǒng)設(shè)計者可以減少故障點，提高系統(tǒng)可靠性，并在抖動性能和頻率靈活性方面獲得顯著優(yōu)勢。與傳統(tǒng)基于石英的器件相比，額外的優(yōu)點包括減少占板面積以及降低解決方案的總成本。
汽車時鐘解決方案的進展
除了在同一設(shè)備產(chǎn)生分數(shù)和整數(shù)相關(guān)的輸出頻率外，最新一代AEC-Q100合規(guī)的時鐘發(fā)生器配備的全新功能也可以幫助簡化汽車電子時鐘設(shè)計，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)計的首要任務(wù)。這些要求也會帶來新的設(shè)計挑戰(zhàn)。要在定時設(shè)計方面達到系統(tǒng)安全層級的目標，系統(tǒng)設(shè)計人員使用的時鐘發(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)測功能以及可以直接與系統(tǒng)安全管理IC通信的故障檢測指示器。
在過去，汽車電子系統(tǒng)設(shè)計者一直不采納時鐘發(fā)生器，是因為潛在的電磁排放問題可能無法符合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，能夠容許參考時鐘展頻的頻率和端點數(shù)量有限。最近由Silicon Labs(亦稱“芯科科技”)完成的研究和CISPR25測試顯示，使用互補的LVCMOS輸出驅(qū)動器生成的單端時鐘，結(jié)合新的布局方法和作業(yè)模式，可大幅減少時鐘的電磁排放，并且在CISPR25 Class 4和Class5的測試中展現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)果。
最新一代符合AEC-Q100標準的時鐘發(fā)生器也完全可以編程，使系統(tǒng)設(shè)計能夠根據(jù)特定的時鐘樹要求，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)中進行。
為提高乘客的安全性和體驗，汽車制造商的自動駕駛系統(tǒng)正迅速采用新的網(wǎng)絡(luò)、ADAS以及利用先進的半導體處理器、FPGA、GPU和以太網(wǎng)交換機/PHY。采用這些新式、更高帶寬的平臺增加了設(shè)計的復雜性，同時也增加了對高精度、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)生器的推出為系統(tǒng)設(shè)計師提供了集成式高性能解決方案，能夠?qū)⒄麄€時鐘樹整合到單一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時鐘產(chǎn)品高級營銷經(jīng)理。Beckmeyer負責管理數(shù)據(jù)中心和汽車市場的產(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年的時鐘產(chǎn)品經(jīng)驗，擁有加州大學戴維斯分校的電氣工程理學士學位和圣克拉拉大學的商業(yè)管理碩士學位。
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