將時(shí)鐘需求從石英換成硅芯片的好處

汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)者從計(jì)算和通信市場(chǎng)借鑒了久經(jīng)驗(yàn)證的時(shí)鐘設(shè)計(jì)最佳方法，而基于硅芯片的時(shí)鐘解決方案數(shù)十年來一直是這些市場(chǎng)中優(yōu)選的解決方案。Silicon Labs（亦稱“芯科科技”）時(shí)鐘產(chǎn)品高級(jí)營(yíng)銷經(jīng)理Kyle Beckmeyer特別于近期撰寫一篇技術(shù)文章，說明關(guān)于新型智能汽車的時(shí)鐘設(shè)計(jì)關(guān)鍵需求與理想的時(shí)鐘發(fā)生器解決方案。

您將了解到

汽車電子中所需的精密參考時(shí)鐘數(shù)量正在增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性并改變最佳實(shí)踐方法。

將時(shí)鐘需求從石英換成硅芯片的好處。

將多個(gè)參考時(shí)鐘整合為一個(gè)簡(jiǎn)化時(shí)鐘樹的好處。

基于硅的時(shí)鐘器件如何為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供靈活性，并幫助他們滿足安全要求。

汽車電子系統(tǒng)的演進(jìn)

當(dāng)前，汽車電子產(chǎn)品的發(fā)展比以往任何時(shí)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(tǒng)和先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）引入其產(chǎn)品線，同時(shí)還在開發(fā)全自動(dòng)駕駛汽車。先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)正在幫助這些新的車輛系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速的開發(fā)和部署。 在這方面，半導(dǎo)體制造商正在將更多汽車級(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)、以太網(wǎng)交換機(jī)SoC/PHY，以及FPGA。采用最新一代的汽車級(jí)IC平臺(tái)和連接解決方案大大提升了系統(tǒng)能力、功能、性能和成本，但也為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來了設(shè)計(jì)復(fù)雜性方面的全新挑戰(zhàn)。

這些挑戰(zhàn)之一，就是要滿足處理器、FPGA、交換機(jī)SoC、以太網(wǎng)PHY、USB PHY和PCI Express Gen3/4端點(diǎn)中的高速SerDes對(duì)高精度、低抖動(dòng)參考時(shí)鐘日益增長(zhǎng)的需求。所有這些器件都正在迅速融入汽車網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、信息娛樂系統(tǒng)、數(shù)字駕艙、ADAS、激光雷達(dá)（LiDAR）和自動(dòng)駕駛控制單元中。 隨著汽車電子設(shè)備的功能和復(fù)雜性逐步升級(jí)，上述系統(tǒng)所需的精密參考時(shí)鐘的數(shù)量也在不斷增加。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者從計(jì)算和通信市場(chǎng)借鑒了久經(jīng)驗(yàn)證的時(shí)鐘設(shè)計(jì)最佳方法，而基于硅芯片的時(shí)鐘解決方案數(shù)十年來一直是這些市場(chǎng)中優(yōu)選的解決方案。

從石英到硅芯片的演進(jìn)

從歷史上看，汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了帶寬較低的處理器和微控制器，每個(gè)電路板設(shè)計(jì)中僅需要一個(gè)或兩個(gè)單端參考時(shí)鐘頻率。滿足這些時(shí)鐘要求非常簡(jiǎn)單，因?yàn)樗鼈儍H需要使用一個(gè)或兩個(gè)石英晶體或晶體振蕩器。 隨著現(xiàn)代汽車電子設(shè)計(jì)中參考時(shí)鐘數(shù)量的增加，滿足時(shí)鐘要求最簡(jiǎn)單的方法就是添加更多的石英晶體或振蕩器。然而，擴(kuò)展基于石英的元器件數(shù)量具有許多缺點(diǎn)和局限性。通常，石英晶體和振蕩器在汽車設(shè)計(jì)中具有最高的失效率（FIT），因此出于對(duì)系統(tǒng)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(jì)算、工業(yè)和消費(fèi)市場(chǎng)一直在使用基于硅芯片的集成時(shí)鐘發(fā)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(shí)鐘要求。

隨著處理器速度和SerDes帶寬水平的提高，對(duì)參考時(shí)鐘抖動(dòng)的要求變得越來越難以滿足。 最新一代的汽車網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)、ADAS傳感器和自動(dòng)駕駛平臺(tái)正在使用高帶寬處理器、FPGA、千兆/萬兆以太網(wǎng)（1G/10GbE）連接和PCI Express Gen3/4/5數(shù)據(jù)總線，它們都需要RMS相位抖動(dòng)小于500fs的差分時(shí)鐘。時(shí)鐘發(fā)生器可以將多達(dá)8個(gè)石英晶體或振蕩器的功能整合到單個(gè)IC中，并在時(shí)鐘輸出上提供出色的RMS相位抖動(dòng)性能（小于300fs），同時(shí)提供許多其他功能和優(yōu)勢(shì)，有助于簡(jiǎn)化系統(tǒng)參考時(shí)鐘設(shè)計(jì)。

簡(jiǎn)化時(shí)鐘樹以減少故障點(diǎn)

通過匯總系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所需的參考時(shí)鐘組合，可以簡(jiǎn)化最佳時(shí)鐘解決方案的選擇和定義。通常將一組參考時(shí)鐘稱為“時(shí)鐘樹”。時(shí)鐘樹通常包括輸入?yún)⒖碱l率、端點(diǎn)所需的輸出時(shí)鐘頻率、時(shí)鐘輸出電平格式，以及通常由每個(gè)端點(diǎn)設(shè)備制造商指定的每個(gè)參考時(shí)鐘的最大抖動(dòng)性能水平（見下表）。

除了新的汽車處理器、FPGA、連接技術(shù)和數(shù)據(jù)總線半導(dǎo)體解決方案正投入市場(chǎng)之外，符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的基于硅芯片的時(shí)鐘解決方案現(xiàn)在也可用于簡(jiǎn)化汽車應(yīng)用中的時(shí)鐘樹設(shè)計(jì)復(fù)雜性。通過將參考時(shí)鐘整合到一個(gè)集成時(shí)鐘發(fā)生器中，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取得顯著優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的基于石英的器件相比，其他優(yōu)點(diǎn)還包括節(jié)省電路板空間以及降低解決方案總體成本（見下圖）。

與傳統(tǒng)的基于石英的解決方案相比，時(shí)鐘發(fā)生器在整合度、成本和可靠性方面具有優(yōu)勢(shì)

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(shè)計(jì)始終要把安全性放在最重要的位置上。按照這些新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)可能還會(huì)帶來新的挑戰(zhàn)。基于硅的時(shí)鐘器件可通過提供冗余的主要和備用參考輸入功能、運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)功能，以及可與ASIL級(jí)別的MCU或系統(tǒng)安全管理IC連接的故障檢測(cè)指示引腳，來幫助滿足系統(tǒng)安全級(jí)別的目標(biāo)。 過去，汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員一直不愿意采用時(shí)鐘發(fā)生器，因?yàn)樵陂L(zhǎng)線路上傳送單端LVCMOS時(shí)鐘信號(hào)，可能會(huì)產(chǎn)生不符合CISPR25 Class4或Class5限制要求的潛在輻射。擴(kuò)頻一直是減少輻射的常見措施，但是僅有有限數(shù)量的頻率和端點(diǎn)允許使用擴(kuò)頻參考時(shí)鐘。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以使用互補(bǔ)式LVCMOS輸出驅(qū)動(dòng)器來克服這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，最新一代AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)的時(shí)鐘發(fā)生器中已提供該驅(qū)動(dòng)器。再結(jié)合現(xiàn)代的布局設(shè)計(jì)指南，輻射水平就可以控制在CISPR25的限值之內(nèi)。 隨著汽車電子技術(shù)的持續(xù)發(fā)展及其復(fù)雜性的不斷增加，半導(dǎo)體供應(yīng)商正在提供更多新型的工業(yè)溫度級(jí)AEC-Q100器件。符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的最新一代時(shí)鐘發(fā)生器可最大程度地提高靈活性和可編程性，支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在幾分鐘之內(nèi)根據(jù)一組特定的時(shí)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(fā)。如果在產(chǎn)品開發(fā)過程中需要更改，則可以通過易用的軟件或者在系統(tǒng)內(nèi)直接使用I2C端口來輕松進(jìn)行更改。

結(jié)論

為了提高乘客的安全性并優(yōu)化體驗(yàn)，汽車制造商正在迅速采用新的網(wǎng)絡(luò)、ADAS和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，這些系統(tǒng)使用了先進(jìn)的半導(dǎo)體處理器、FPGA、GPU和以太網(wǎng)交換機(jī)/PHY。采用這些帶寬更高的新型平臺(tái)會(huì)增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，從而加大對(duì)高精度、低抖動(dòng)的單端和差分參考時(shí)鐘的需求。 汽車級(jí)AEC-Q100時(shí)鐘發(fā)生器的推出，為設(shè)計(jì)人員提供了集成式高性能解決方案，其能夠?qū)⒄麄€(gè)時(shí)鐘樹集成到單個(gè)IC中，同時(shí)與傳統(tǒng)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(tǒng)成本。

原文標(biāo)題：技術(shù)干貨－智能汽車時(shí)鐘設(shè)計(jì)的關(guān)鍵需求

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