工程總是需要權衡取舍,但自動駕駛汽車正將其推向極限,要求相互沖突。
這些車輛將從各種形式的視覺傳感器以及檢測溫度、壓力和其他關鍵參數的環境傳感器中生成大量數據。
它們在無情的環境中運行,不斷振動和沖擊。由于外部天氣和內部發動機溫度,溫度可能會非常高。溫度變化可以是快速的,無論是外部的,隨著天氣的快速變化,還是內部的,例如,當發動機預熱時。由于下雨或在潮濕的路面上行駛,水分隨時可能出現。
汽車危及生命。汽車應該始終工作,但如果出現問題,它必須能夠在進入安全狀態時表現良好。
汽車是消費品;制造商非常注重成本,即使他們要求其電子產品具有高性能。芯片尺寸必須小以節省面積,并且電子產品必須能夠以高產量制造以保持價格在范圍內。
一個共同的線索貫穿了所有這些要求,而且我們通常認為這是理所當然的:計時。為了讓一切都能同步工作,即使出現問題,這些時鐘信號也必須正常運行。時間現在比以往任何時候都更加關鍵,對時間的來源提出了極高的要求。
雖然石英一直是昨天的計時選擇,但現在和未來,MEMS 技術提供了唯一足夠強大和可靠的計時源,可用于自動駕駛。
那里很殘酷!
你的手機可能很復雜,但與自動駕駛汽車相比,它很容易。它可以放在你的口袋或錢包里旅行;如果它因跌倒而受到沖擊,它可能無法生存——這就是我們(遺憾地)所期望的。汽車幾乎沒有那么幸運。崎嶇不平的道路、減速帶,以及 - 天堂禁止 - 與其他車輛或靜止物體的意外相遇都會使汽車的內部結構變得粗糙 - 并且這些內部結構預計會繼續運行。溫度 - 和溫度變化 - 可能是極端的。如果不加以管理,電磁干擾會妨礙可靠的通信。
如果在這些惡劣條件下出現任何故障,那么汽車必須進入安全狀態。但是,如果協調一切的時機由于環境壓力而失敗,這一切都不會發生。這是 MEMS 計時優勢的重要組成部分:MEMS 計時源比石英源更穩健。例如,供應商 SiTime 的MEMS 計時 設備可以提供 0.1 ppb/ g的穩定性(與石英的 0.5 ppb/ g相比)。它們可以承受 50 公斤的沖擊力和 70克的的振動。它們可以承受 -55 到 125 °C(比石英所能承受的范圍更廣)的溫度(和快速變化)。而且,憑借可編程邊沿速率 (± 0.25 – 40 ns) 和高達 4% (± 0.25%) 的擴頻能力——石英無法提供的功能,MEMS 時序可以將 EMI 降低 17%。
隨著時間的推移,時序也必須保持可靠。MEMS 時序已證明其非??煽?。系統生命周期內故障的統計測量已降至百萬分之 1.6 次缺陷部件 (DPPM) 以下,及時故障 (FIT) 率低于 1(超過 10 億小時,或超過 114,000 年的平均故障間隔時間) ,或 MTBF)。使用石英后,您的 DPPM 為 20 – 50,故障間隔時間少于 5000 萬小時。MEMS 也沒有活動下降,也沒有冷啟動問題——這都是石英長期存在的挑戰。與僅滿足 AEC Q200 要求的石英相比,MEMS 源也可以滿足 AEC-Q100 的測試要求。
內外溝通
汽車行業已經確定了一種以太網形式來處理車輛內的通信。這包括各個域內部和之間的功能通信——例如,動力總成、底盤和中央堆棧。數據速率可能為 10、40 和/或 100 Gbps。基于我們在家庭和辦公室網絡中已知的以太網,它解決了“普通”以太網引起的幾個問題。
它具有較少的射頻噪聲,減少了信號之間的干擾。
它為請求和傳輸緊急傳感器和其他數據提供微秒延遲。
帶寬可以分配給具有特定延遲要求的特定流。
例如,可以在組件之間同步時序,以允許同時采樣數據。
與此同時,5G 準備承擔與范圍內任何事物進行外部通信的負擔:其他車輛、本地基礎設施和手機信號塔。這種“車輛到 X”或“V2X”系統隨后會采用 5G 強加的非常緊迫的時間安排:網絡兩端的延遲為 10 納秒,頻率達到兩位數的千兆赫茲范圍。
這種交流將包括超級關鍵的,比如汽車之間關于誰在什么時候去哪里的對話,以及方便的,比如流媒體音樂,實時與否。所有這些都必須可靠地工作,以確保安全、舒適的乘坐。MEMS 時序源提供保持內部和外部網絡運行所需的頻率和抖動性能。高于 700 MHz 的頻率,在 ±0.1 ppm(-40 至 105 °C)或 ±20 ppm(-55 至 125 °C)下的穩定性支持此性能。
相比之下,石英時鐘源的頻率選擇較少,全部采用大封裝。它們在 -40 至 125 °C 的溫度范圍內僅管理 ±50 ppm 的穩定性。它們還遭受所謂的“活動下降”和其他異常行為,使其在安全關鍵型應用中的可靠性降低。
縮小時序足跡
最后,時序源所需的空間越少越好。也就是說,您可以根據自己的優先級進行選擇。對于小型封裝的終極要求,MEMS 采用 2.0 毫米 x 1.6 毫米 DFN 封裝。如果引線檢查對于較便宜的制造至關重要,則可以在 SOT23-5 封裝中獲得時序。
MEMS 時序也不需要負載電容,單個驅動器可以驅動多個負載。這兩個特征都與石英形成鮮明對比。而石英,就其本質而言,必須使用更大的封裝。
汽車設計轉向 MEMS
汽車應用是可以想象到的最苛刻的應用之一,尤其是當您考慮到芯片的定價必須與消費者價格點兼容時。它們在極其惡劣的條件下運行;他們必須保持內部和外部的可靠通信;他們必須能夠收集、處理和分發大量傳感器數據,以保持高效和安全的運行。
控制所有這些交織系統的時間必須穩健可靠。它必須提供高性能,同時創建盡可能小的占用空間。這些都是 MEMS 時序的特性。從石英到 MEMS 的過渡將部分由我們對車輛的渴望導致,這些車輛將我們安全地從這里帶到那里,而我們坐下來讓汽車來駕駛。
審核編輯:郭婷
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