【導(dǎo)讀】現(xiàn)在汽車(chē)電子產(chǎn)品的發(fā)展比以往任何時(shí)候都快，特別是在各制造商都在將功能豐富的信息娛樂(lè)系統(tǒng)和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)導(dǎo)入到產(chǎn)品線，并同時(shí)開(kāi)發(fā)全自動(dòng)駕駛汽車(chē)的時(shí)候。先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)有助于這些新型汽車(chē)系統(tǒng)的快速開(kāi)發(fā)和部署，半導(dǎo)體制造商也將越來(lái)越多汽車(chē)級(jí)產(chǎn)品推向市場(chǎng)，包括更高帶寬的處理器、GPU、高速 PCI-Express 交換機(jī)和以太網(wǎng)交換機(jī) SoC/PHY 以及 FPGA。
現(xiàn)在汽車(chē)電子產(chǎn)品的發(fā)展比以往任何時(shí)候都快，特別是在各制造商都在將功能豐富的信息娛樂(lè)系統(tǒng)和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)導(dǎo)入到產(chǎn)品線，并同時(shí)開(kāi)發(fā)全自動(dòng)駕駛汽車(chē)的時(shí)候。先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)有助于這些新型汽車(chē)系統(tǒng)的快速開(kāi)發(fā)和部署，半導(dǎo)體制造商也將越來(lái)越多汽車(chē)級(jí)產(chǎn)品推向市場(chǎng)，包括更高帶寬的處理器、GPU、高速 PCI-Express 交換機(jī)和以太網(wǎng)交換機(jī) SoC/PHY 以及 FPGA。采用最新一代的汽車(chē)級(jí) IC 平臺(tái)和連接解決方案，可在系統(tǒng)能力、功能、性能和成本方面帶來(lái)顯著的效益改善，但設(shè)計(jì)的復(fù)雜性也為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。
這些挑戰(zhàn)之一就是滿足處理器、FPGA、交換機(jī) SoC、以太網(wǎng) PHY、USB PHY 和 PCI-Express Gen3/4 端點(diǎn)中高速 SerDes 對(duì)高精度、低抖動(dòng)參考時(shí)鐘日益增長(zhǎng)的需求，進(jìn)而滿足汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、信息娛樂(lè)系統(tǒng)、數(shù)字駕駛艙、ADAS、激光雷達(dá)和自動(dòng)駕駛控制單元的需要。在這些不斷發(fā)展的新應(yīng)用中，精密參考時(shí)鐘所需的數(shù)量正在穩(wěn)定增加，需要對(duì)不同時(shí)鐘同時(shí)提供單端和差分時(shí)鐘格式，以及低至 300fs 的 RMS 相位抖動(dòng)要求。
汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展
過(guò)去，汽車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用較低帶寬的處理器和微控制器，每塊電路板設(shè)計(jì)只需要一到兩個(gè)單端參考時(shí)鐘頻率。滿足這些時(shí)序要求很簡(jiǎn)單，因?yàn)樗鼈冎恍枋褂靡粌蓚€(gè)石英晶體或晶體振蕩器。隨著現(xiàn)代汽車(chē)電子設(shè)計(jì)所使用參考時(shí)鐘的數(shù)量增加，滿足時(shí)序要求最簡(jiǎn)單的方法是添加更多的石英晶體或振蕩器，然而，調(diào)整石英元件數(shù)量的方法有許多缺點(diǎn)和局限性。除了會(huì)增加電路板空間和成本外，石英晶體和振蕩器先天上容易遭受沖擊和振動(dòng)故障，有很高的時(shí)間故障(FIT)率。增加石英晶體和振蕩器的數(shù)量，會(huì)增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的故障點(diǎn)數(shù)，以及長(zhǎng)期可靠性風(fēng)險(xiǎn)。
多年來(lái)，通信、運(yùn)算、工業(yè)和消費(fèi)類(lèi)市場(chǎng)一直使用集成式硅基時(shí)鐘發(fā)生器解決方案，而非石英晶體和振蕩器，來(lái)滿足對(duì)精確參考時(shí)鐘時(shí)序的要求。為確保系統(tǒng)正常工作并將誤碼率降至最低，高精準(zhǔn)度、低抖動(dòng)的參考時(shí)鐘在高速設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。隨著處理器速度和 SerDes 帶寬水平的提高，對(duì)參考時(shí)鐘的抖動(dòng)要求也越來(lái)越難以滿足。最新一代汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、ADAS 傳感器和自動(dòng)駕駛平臺(tái)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，它們要求差分時(shí)鐘的相位抖動(dòng)低于 500fs RMS。時(shí)鐘發(fā)生器可以將多達(dá)八個(gè)石英晶體或振蕩器的功能集成到一個(gè) IC 中，并能在時(shí)鐘輸出上提供優(yōu)異的 RMS 相位抖動(dòng)性能(＜300fs RMS)，同時(shí)提供許多附加功能和優(yōu)點(diǎn)，而有助于系統(tǒng)簡(jiǎn)化參考時(shí)鐘的設(shè)計(jì)。
時(shí)鐘樹(shù)要求持續(xù)增長(zhǎng)
通過(guò)整理系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的參考時(shí)鐘組合，可以簡(jiǎn)化選擇和確定最佳時(shí)序解決方案。一組參考時(shí)鐘通常被稱(chēng)為“時(shí)鐘樹(shù)”。時(shí)鐘樹(shù)通常包括輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘、端點(diǎn)所需的輸出時(shí)鐘頻率、時(shí)鐘輸出電平格式，以及每個(gè)參考時(shí)鐘的最大抖動(dòng)性能水平——其通常由每個(gè)端點(diǎn)器件制造商指定(表 1)。
表 1：時(shí)鐘樹(shù)指標(biāo)。
除了新的汽車(chē)處理器、FPGA、連接和數(shù)據(jù)總線半導(dǎo)體解決方案正投入市場(chǎng)之外，經(jīng)過(guò) AEC-Q100 認(rèn)證的硅基時(shí)鐘解決方案現(xiàn)在也可用于簡(jiǎn)化汽車(chē)應(yīng)用中日益復(fù)雜的時(shí)鐘樹(shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題。通過(guò)將參考時(shí)鐘集成到時(shí)鐘發(fā)生器 IC 中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以減少故障點(diǎn)，提高系統(tǒng)可靠性，并在抖動(dòng)性能和頻率靈活性方面獲得顯著優(yōu)勢(shì)(圖 1)。與傳統(tǒng)的石英器件相比，額外的優(yōu)點(diǎn)包括減少電路板空間面積以及降低解決方案的總成本。
圖 1：時(shí)鐘樹(shù)實(shí)現(xiàn)——傳統(tǒng)的多器件方法 vs 最新的優(yōu)化解決方案。
汽車(chē)時(shí)序解決方案的進(jìn)展
除了可在同一器件上產(chǎn)生分?jǐn)?shù)和整數(shù)相關(guān)輸出頻率以外，最新一代符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘發(fā)生器還配備了完整的全新功能，而能夠幫助簡(jiǎn)化汽車(chē)電子時(shí)序設(shè)計(jì)——所有這些都是傳統(tǒng)石英晶體或振蕩器解決方案所無(wú)法具備的。
在導(dǎo)入 ISO 26262 和 ASIL 的要求之下，安全性一直是所有汽車(chē)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。這些要求也會(huì)帶來(lái)新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。要在時(shí)序設(shè)計(jì)方面達(dá)到系統(tǒng)安全水平的目標(biāo)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所使用的時(shí)鐘發(fā)生器應(yīng)具備冗余的主要和備用參考輸入、健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，以及可直接與系統(tǒng)安全管理 IC 通信的故障檢測(cè)指示器。
過(guò)去，汽車(chē)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)者一直不愿意采用時(shí)鐘發(fā)生器，因?yàn)闈撛诘碾姶泡椛鋯?wèn)題可能無(wú)法符合 CISPR25 Class4 或 Class5 的限制要求。擴(kuò)頻已經(jīng)成為減少電磁輻射的一種通用做法，但是能夠容許參考時(shí)鐘擴(kuò)頻的頻率和端點(diǎn)數(shù)量有限。最近由 Silicon Labs 完成的研究和 CISPR25 測(cè)試顯示，使用互補(bǔ)式 LVCMOS 輸出驅(qū)動(dòng)器生成單端時(shí)鐘，結(jié)合新的布局指南和實(shí)踐，可大幅減少時(shí)鐘的電磁波輻射，并且在 CISPR25 Class4 和 Class5 的測(cè)試上展現(xiàn)出優(yōu)異的效果。
最新一代符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘發(fā)生器也可以實(shí)現(xiàn)完全編程，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠在幾分鐘之內(nèi)完全根據(jù)一組特定的時(shí)鐘樹(shù)要求完全定制出一套解決方案，而無(wú)需苦等定制器件的開(kāi)發(fā)。如果在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要更改，則可以通過(guò)簡(jiǎn)易的軟件或使用 I2C 端口直接在系統(tǒng)內(nèi)輕松地進(jìn)行更改。
為提高乘客的安全性和體驗(yàn)，汽車(chē)制造商的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)正迅速采用新的網(wǎng)絡(luò)、ADAS，以及利用先進(jìn)的半導(dǎo)體處理器、FPGA、GPU 和以太網(wǎng)交換機(jī) SoC/PHY。這些更高帶寬新平臺(tái)的采用，增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，同時(shí)也增加了對(duì)高精度、低抖動(dòng)、單端和差分參考時(shí)鐘的需求。汽車(chē)級(jí) AEC-Q100 時(shí)鐘發(fā)生器的推出，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供集成式高性能解決方案，能夠?qū)⒄麄€(gè)時(shí)鐘樹(shù)集成到單個(gè) IC 電路中，與傳統(tǒng)的石英晶體和振蕩器解決方案相比，可提高可靠性和降低系統(tǒng)成本。
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