工程設(shè)計(jì)總是在于利弊的權(quán)衡，但自動(dòng)駕駛汽車(chē)提出的嚴(yán)苛要求，正在將其推向極限。
- 自動(dòng)駕駛車(chē)輛將生成海量的數(shù)據(jù)，源自各種形式的視覺(jué)傳感器，以及探測(cè)溫度、壓力和其它關(guān)鍵參數(shù)的環(huán)境傳感器。
- 通信是不變的需求，車(chē)輛內(nèi)部使用汽車(chē)以太網(wǎng)，外部通信未來(lái)將會(huì)采用5G技術(shù)與世界連接。
- 它們?cè)诔掷m(xù)振動(dòng)和沖擊的嚴(yán)苛環(huán)境中運(yùn)行。面對(duì)外部天氣和內(nèi)部引擎高溫的雙重影響，溫度環(huán)境可能很。并且，由于車(chē)輛外部快速的天氣變化，以及車(chē)輛內(nèi)部引擎釋放的熱量，溫度的變化會(huì)很快。此外，由于下雨或在潮濕的路面上行駛，水分可能隨時(shí)存在。
- 汽車(chē)在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)會(huì)危及乘員生命，因此汽車(chē)的各個(gè)部件應(yīng)該始終能夠正常運(yùn)行，如果出現(xiàn)問(wèn)題，它必須能夠在進(jìn)入安全狀態(tài)時(shí)表現(xiàn)良好。
- 汽車(chē)是一種消費(fèi)品，制造商在要求汽車(chē)電子器件具有高性能的同時(shí)，也非常注重成本。芯片占位面積必須盡可能小，以節(jié)省空間，而且芯片必須以高良率制造，以保持合理的成本。
在所有這些要求中有一個(gè)共同的因素貫穿始終，而這也是我們通常認(rèn)為理所當(dāng)然的，那就是：時(shí)間。為了使一切都能同步運(yùn)行，即使某些部件出現(xiàn)問(wèn)題，這些時(shí)鐘信號(hào)也必須正常運(yùn)行。時(shí)鐘現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都更加關(guān)鍵，因此對(duì)時(shí)鐘源提出了*的要求。
石英已經(jīng)成為時(shí)鐘器件的過(guò)去時(shí)態(tài)，現(xiàn)在和將來(lái)，MEMS時(shí)鐘器件提供的穩(wěn)定性和可靠性，足以滿足自動(dòng)駕駛需求。
應(yīng)對(duì)嚴(yán)苛環(huán)境
我們的智能手機(jī)可能已經(jīng)很復(fù)雜了，但與自動(dòng)駕駛汽車(chē)相比，不值一提。智能手機(jī)通常會(huì)被我們放在口袋或小包里隨身攜帶，如果不小心摔地上遭受?chē)?yán)重的震動(dòng)，手機(jī)有可能就無(wú)法工作了。
汽車(chē)可就沒(méi)那么幸福了。外部行駛糟糕的道路，各種減速帶，以及與其他車(chē)輛或障礙物的意外碰撞，有可能會(huì)損傷車(chē)輛內(nèi)部設(shè)備，而這些內(nèi)部構(gòu)件都需要繼續(xù)運(yùn)行。如上所述，車(chē)輛內(nèi)部的溫度和溫度變化可能也很。此外，電磁干擾(EMI)如果處理不當(dāng)，也可能會(huì)影響通信的可靠性。
如果在這些惡劣條件下出現(xiàn)任何故障，那么車(chē)輛必須進(jìn)入一種安全狀態(tài)。但是，如果協(xié)調(diào)這一切的時(shí)鐘器件因環(huán)境壓力而失效，安全狀態(tài)就無(wú)從談起了。這是MEMS時(shí)鐘器件的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)：MEMS時(shí)鐘器件比石英器件更加穩(wěn)健(圖1)。例如，某些MEMS器件可提供0.1 ppb/g的穩(wěn)定性(與石英的0.5 ppb/g相比)。它們可以應(yīng)對(duì)50 kg的沖擊和70 g的振動(dòng)。它們的運(yùn)行溫度在-55 ~ 125°C(比石英器件的范圍更廣)。而且，憑借可編程邊緣速率(±0.25 ~ 40 ns)和高達(dá)4%(±0.25%)的擴(kuò)頻能力(石英不具備的功能)，MEMS時(shí)鐘器件可將EMI降低11%。
圖1：MEMS與石英時(shí)鐘器件在熱氣流和振動(dòng)下的衛(wèi)星跟蹤對(duì)比，石英多次丟失信號(hào)，而MEMS表現(xiàn)非常穩(wěn)定
隨著時(shí)間的推移，時(shí)鐘仍必須保持可靠。MEMS時(shí)鐘器件已經(jīng)證明了其可靠性。事實(shí)上，使用相同的示例，它們未出現(xiàn)過(guò)一次失效故障。系統(tǒng)壽命期間測(cè)量統(tǒng)計(jì)的每百萬(wàn)缺陷數(shù)(DPPM)已降至1.6以下，平均故障間隔時(shí)間(MTBF)超過(guò)10億小時(shí)(即114000年)。而石英器件的每百萬(wàn)缺陷數(shù)約為200 ~ 500，平均故障間隔時(shí)間不到5000萬(wàn)小時(shí)。此外，MEMS沒(méi)有頻率擾動(dòng)(activity dips)或微跳變問(wèn)題，也沒(méi)有冷啟動(dòng)的問(wèn)題，而這些一直是石英器件需要面對(duì)的挑戰(zhàn)。與僅滿足AIC-Q200要求的石英相比，MEMS時(shí)鐘器件還能夠滿足AEC-Q100測(cè)試要求。
車(chē)輛內(nèi)外通信
據(jù)麥姆斯咨詢介紹，汽車(chē)行業(yè)已經(jīng)采用以太網(wǎng)的形式來(lái)處理車(chē)輛內(nèi)部通信。這包括各個(gè)域內(nèi)以及之間的功能通信，例如傳動(dòng)系統(tǒng)、底盤(pán)和中心堆棧等。數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到10、40和/或100 Gbps。就我們熟知的家庭和辦公室網(wǎng)絡(luò)中的以太網(wǎng)，汽車(chē)以太網(wǎng)解決了“正常”以太網(wǎng)帶來(lái)的幾個(gè)問(wèn)題。
- 具有較低的射頻(RF)噪聲，減少信號(hào)之間的干擾。
- 它為請(qǐng)求和發(fā)送緊急傳感器和其他數(shù)據(jù)提供微秒延遲。
- 帶寬可以分配給具有特定延遲要求的特定數(shù)據(jù)流。
- 可以在組件之間同步時(shí)鐘，以實(shí)現(xiàn)同時(shí)數(shù)據(jù)采樣等功能。
與此同時(shí)，5G將承擔(dān)車(chē)輛與外部世界的通信，例如與其他車(chē)輛、本地基礎(chǔ)設(shè)施和手機(jī)信號(hào)塔等。這種所謂的“車(chē)聯(lián)網(wǎng)”系統(tǒng)對(duì)5G時(shí)鐘提出了非常高的要求：網(wǎng)絡(luò)端10 ns的延遲，頻率進(jìn)入兩位數(shù)千兆赫范圍。
圖2：汽車(chē)電子需要通過(guò)汽車(chē)以太網(wǎng)進(jìn)行內(nèi)部通信，并通過(guò)5G進(jìn)行外部通信
這些通信將涵蓋非常關(guān)鍵的應(yīng)用，如車(chē)輛間的對(duì)話；以及便利性應(yīng)用，如流媒體音樂(lè)(無(wú)論實(shí)時(shí)與否)。所有這些都必須可靠地運(yùn)行，以確保安全舒適的乘坐體驗(yàn)。MEMS時(shí)鐘器件能夠提供確保內(nèi)部和外部網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行所需的頻率和抖動(dòng)性能，如頻率高于700 MHz，穩(wěn)定性為±0.1 ppm(-40 ~ 105℃)或±20 ppm(-55 ~ 125℃)。
相比之下，石英時(shí)鐘器件的的頻率選擇較少，且全部采用大型封裝。它們?cè)?40 ~ 125℃范圍內(nèi)的穩(wěn)定性僅為±50 ppm。此外，石英時(shí)鐘器件還有所謂的頻率擾動(dòng)等其他異常狀況，使它們?cè)诎踩P(guān)鍵應(yīng)用中不太可靠。
時(shí)鐘器件尺寸不斷縮小
后，時(shí)鐘器件所需占用的空間越小越好。也就是說(shuō)，您可以根據(jù)自己的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行選擇。對(duì)于的小型封裝需求，MEMS可提供2.0 mm x 1.6 mm的DFN封裝。如果引線檢測(cè)對(duì)于低成本制造至關(guān)重要，那么可以選擇SOT23-5封裝。
MEMS時(shí)鐘器件還無(wú)需負(fù)載電容，單個(gè)驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載。這兩種特性都與石英形成了鮮明對(duì)比。而且，石英時(shí)鐘器件從自身特性來(lái)說(shuō)必須使用更大的封裝。
圖3：針對(duì)不同汽車(chē)應(yīng)用的特性
汽車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)始轉(zhuǎn)向MEMS
汽車(chē)應(yīng)用是可以想象的要求嚴(yán)苛的應(yīng)用之一。它們通常在極其惡劣的條件下運(yùn)行，必須保持內(nèi)部和外部的可靠通信，并且必須能夠收集、處理和分發(fā)大量的傳感器數(shù)據(jù)，以便和安全地運(yùn)行。
控制所有這些相互交織的系統(tǒng)的時(shí)鐘器件必須穩(wěn)健可靠。它必須提供高性能，同時(shí)盡可能小的占位面積。這些都是MEMS時(shí)鐘器件的優(yōu)勢(shì)。人們對(duì)自動(dòng)駕駛，以及更安全地從A點(diǎn)到B點(diǎn)的渴求，推動(dòng)了時(shí)鐘器件從石英向MEMS的過(guò)渡。
