智能汽車

技術干貨-智能汽車時鐘設計的關鍵需求

2025China.cn   2021年04月19日

  汽車系統設計者從計算和通信市場借鑒了久經驗證的時鐘設計最佳方法,而基于硅芯片的時鐘解決方案數十年來一直是這些市場中優選的解決方案。Silicon Labs(亦稱“芯科科技”)時鐘產品高級營銷經理Kyle Beckmeyer特別于近期撰寫一篇技術文章,說明關于新型智能汽車的時鐘設計關鍵需求與理想的時鐘發生器解決方案。

  您將了解到

  ● 汽車電子中所需的精密參考時鐘數量正在增加系統設計的復雜性并改變最佳實踐方法。

  ● 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設計人員提供靈活性,并幫助他們滿足安全要求。

汽車電子系統的演進

  當前,汽車電子產品的發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和先進駕駛輔助系統(ADAS)引入其產品線,同時還在開發全自動駕駛汽車。先進的半導體技術正在幫助這些新的車輛系統實現快速的開發和部署。

  在這方面,半導體制造商正在將更多汽車級產品推向市場,包括更高帶寬的處理器、GPU、高速PCI Express交換機、以太網交換機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能力、功能、性能和成本,但也為系統設計人員帶來了設計復雜性方面的全新挑戰。

  這些挑戰之一,就是要滿足處理器、FPGA、交換機SoC、以太網PHY、USB PHY和PCI Express Gen3/4端點中的高速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絡網關、信息娛樂系統、數字駕艙、ADAS、激光雷達(LiDAR)和自動駕駛控制單元中。 隨著汽車電子設備的功能和復雜性逐步升級,上述系統所需的精密參考時鐘的數量也在不斷增加。因此,系統設計者從計算和通信市場借鑒了久經驗證的時鐘設計最佳方法,而基于硅芯片的時鐘解決方案數十年來一直是這些市場中優選的解決方案。

從石英到硅芯片的演進

  從歷史上看,汽車系統設計采用了帶寬較低的處理器和微控制器,每個電路板設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,因為它們僅需要使用一個或兩個石英晶體或晶體振蕩器。

  隨著現代汽車電子設計中參考時鐘數量的增加,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,擴展基于石英的元器件數量具有許多缺點和局限性。通常,石英晶體和振蕩器在汽車設計中具有最高的失效率(FIT),因此出于對系統可靠性的考慮,添加更多的此類元器件是非常不可取的。

  多年來,通信、計算、工業和消費市場一直在使用基于硅芯片的集成時鐘發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。

  最新一代的汽車網絡網關、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(1G/10GbE)連接和PCI Express Gen3/4/5數據總線,它們都需要RMS相位抖動小于500fs的差分時鐘。時鐘發生器可以將多達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勢,有助于簡化系統參考時鐘設計。

簡化時鐘樹以減少故障點

  通過匯總系統設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參考頻率、端點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設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、連接技術和數據總線半導體解決方案正投入市場之外,符合AEC-Q100標準的基于硅芯片的時鐘解決方案現在也可用于簡化汽車應用中的時鐘樹設計復雜性。通過將參考時鐘整合到一個集成時鐘發生器中,系統設計人員可以減少故障點,提高系統可靠性,并在抖動性能和頻率靈活性方面取得顯著優勢。與傳統的基于石英的器件相比,其他優點還包括節省電路板空間以及降低解決方案總體成本(見下圖)。

與傳統的基于石英的解決方案相比,時鐘發生器在整合度、成本和可靠性方面具有優勢

解決障礙:輻射和冗余

  隨著ISO26262和ASIL要求的引入,所有汽車電子設計始終要把安全性放在最重要的位置上。按照這些新標準進行設計可能還會帶來新的挑戰。基于硅的時鐘器件可通過提供冗余的主要和備用參考輸入功能、運行狀況監測功能,以及可與ASIL級別的MCU或系統安全管理IC連接的故障檢測指示引腳,來幫助滿足系統安全級別的目標。

  過去,汽車電子系統設計人員一直不愿意采用時鐘發生器,因為在長線路上傳送單端LVCMOS時鐘信號,可能會產生不符合CISPR25 Class4或Class5限制要求的潛在輻射。擴頻一直是減少輻射的常見措施,但是僅有有限數量的頻率和端點允許使用擴頻參考時鐘。

  系統設計人員現在可以使用互補式LVCMOS輸出驅動器來克服這些設計挑戰,最新一代AEC-Q100標準合規的時鐘發生器中已提供該驅動器。再結合現代的布局設計指南,輻射水平就可以控制在CISPR25的限值之內。

  隨著汽車電子技術的持續發展及其復雜性的不斷增加,半導體供應商正在提供更多新型的工業溫度級AEC-Q100器件。符合AEC-Q100標準的最新一代時鐘發生器可最大程度地提高靈活性和可編程性,支持系統設計人員在幾分鐘之內根據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。如果在產品開發過程中需要更改,則可以通過易用的軟件或者在系統內直接使用I2C端口來輕松進行更改。

結論

  為了提高乘客的安全性并優化體驗,汽車制造商正在迅速采用新的網絡、ADAS和自動駕駛系統,這些系統使用了先進的半導體處理器、FPGA、GPU和以太網交換機/PHY。采用這些帶寬更高的新型平臺會增加設計的復雜度,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時鐘發生器的推出,為設計人員提供了集成式高性能解決方案,其能夠將整個時鐘樹集成到單個IC中,同時與傳統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成本。

標簽:SiliconLabs 智能汽車 汽車時鐘設計 我要反饋 
世強
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