【導讀】現(xiàn)在汽車電子產(chǎn)品的發(fā)展比以往任何時候都快，特別是在各制造商都在將功能豐富的信息娛樂系統(tǒng)和高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)導入到產(chǎn)品線，并同時開發(fā)全自動駕駛汽車的時候。先進的半導體技術有助于這些新型汽車系統(tǒng)的快速開發(fā)和部署，半導體制造商也將越來越多汽車級產(chǎn)品推向市場，包括更高帶寬的處理器、GPU、高速 PCI-Express 交換機和以太網(wǎng)交換機 SoC/PHY 以及 FPGA。
現(xiàn)在汽車電子產(chǎn)品的發(fā)展比以往任何時候都快，特別是在各制造商都在將功能豐富的信息娛樂系統(tǒng)和高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)導入到產(chǎn)品線，并同時開發(fā)全自動駕駛汽車的時候。先進的半導體技術有助于這些新型汽車系統(tǒng)的快速開發(fā)和部署，半導體制造商也將越來越多汽車級產(chǎn)品推向市場，包括更高帶寬的處理器、GPU、高速 PCI-Express 交換機和以太網(wǎng)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，可在系統(tǒng)能力、功能、性能和成本方面帶來顯著的效益改善，但設計的復雜性也為系統(tǒng)設計人員帶來了新的挑戰(zhàn)。
這些挑戰(zhàn)之一就是滿足處理器、FPGA、交換機 SoC、以太網(wǎng) PHY、USB PHY 和 PCI-Express Gen3/4 端點中高速 SerDes 對高精度、低抖動參考時鐘日益增長的需求，進而滿足汽車網(wǎng)絡網(wǎng)關、信息娛樂系統(tǒng)、數(shù)字駕駛艙、ADAS、激光雷達和自動駕駛控制單元的需要。在這些不斷發(fā)展的新應用中，精密參考時鐘所需的數(shù)量正在穩(wěn)定增加，需要對不同時鐘同時提供單端和差分時鐘格式，以及低至 300fs 的 RMS 相位抖動要求。
汽車電子技術的發(fā)展
過去，汽車系統(tǒng)設計使用較低帶寬的處理器和微控制器，每塊電路板設計只需要一到兩個單端參考時鐘頻率。滿足這些時序要求很簡單，因為它們只需使用一兩個石英晶體或晶體振蕩器。隨著現(xiàn)代汽車電子設計所使用參考時鐘的數(shù)量增加，滿足時序要求最簡單的方法是添加更多的石英晶體或振蕩器，然而，調整石英元件數(shù)量的方法有許多缺點和局限性。除了會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故障，有很高的時間故障(FIT)率。增加石英晶體和振蕩器的數(shù)量，會增加系統(tǒng)設計的故障點數(shù)，以及長期可靠性風險。
多年來，通信、運算、工業(yè)和消費類市場一直使用集成式硅基時鐘發(fā)生器解決方案，而非石英晶體和振蕩器，來滿足對精確參考時鐘時序的要求。為確保系統(tǒng)正常工作并將誤碼率降至最低，高精準度、低抖動的參考時鐘在高速設計中至關重要。隨著處理器速度和 SerDes 帶寬水平的提高，對參考時鐘的抖動要求也越來越難以滿足。最新一代汽車網(wǎng)絡網(wǎng)關、ADAS 傳感器和自動駕駛平臺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，它們要求差分時鐘的相位抖動低于 500fs RMS。時鐘發(fā)生器可以將多達八個石英晶體或振蕩器的功能集成到一個 IC 中，并能在時鐘輸出上提供優(yōu)異的 RMS 相位抖動性能(＜300fs RMS)，同時提供許多附加功能和優(yōu)點，而有助于系統(tǒng)簡化參考時鐘的設計。
時鐘樹要求持續(xù)增長
通過整理系統(tǒng)設計所需的參考時鐘組合，可以簡化選擇和確定最佳時序解決方案。一組參考時鐘通常被稱為“時鐘樹”。時鐘樹通常包括輸入?yún)⒖紩r鐘、端點所需的輸出時鐘頻率、時鐘輸出電平格式，以及每個參考時鐘的最大抖動性能水平——其通常由每個端點器件制造商指定(表 1)。
表 1：時鐘樹指標。
除了新的汽車處理器、FPGA、連接和數(shù)據(jù)總線半導體解決方案正投入市場之外，經(jīng)過 AEC-Q100 認證的硅基時鐘解決方案現(xiàn)在也可用于簡化汽車應用中日益復雜的時鐘樹設計問題。通過將參考時鐘集成到時鐘發(fā)生器 IC 中，系統(tǒng)設計人員可以減少故障點，提高系統(tǒng)可靠性，并在抖動性能和頻率靈活性方面獲得顯著優(yōu)勢(圖 1)。與傳統(tǒng)的石英器件相比，額外的優(yōu)點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：時鐘樹實現(xiàn)——傳統(tǒng)的多器件方法 vs 最新的優(yōu)化解決方案。
汽車時序解決方案的進展
除了可在同一器件上產(chǎn)生分數(shù)和整數(shù)相關輸出頻率以外，最新一代符合 AEC-Q100 標準的時鐘發(fā)生器還配備了完整的全新功能，而能夠幫助簡化汽車電子時序設計——所有這些都是傳統(tǒng)石英晶體或振蕩器解決方案所無法具備的。
在導入 ISO 26262 和 ASIL 的要求之下，安全性一直是所有汽車電子產(chǎn)品設計的首要任務。這些要求也會帶來新的設計挑戰(zhàn)。要在時序設計方面達到系統(tǒng)安全水平的目標，系統(tǒng)設計人員所使用的時鐘發(fā)生器應具備冗余的主要和備用參考輸入、健康狀態(tài)監(jiān)測功能，以及可直接與系統(tǒng)安全管理 IC 通信的故障檢測指示器。
過去，汽車電子系統(tǒng)設計者一直不愿意采用時鐘發(fā)生器，因為潛在的電磁輻射問題可能無法符合 CISPR25 Class4 或 Class5 的限制要求。擴頻已經(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鐘擴頻的頻率和端點數(shù)量有限。最近由 Silicon Labs 完成的研究和 CISPR25 測試顯示，使用互補式 LVCMOS 輸出驅動器生成單端時鐘，結合新的布局指南和實踐，可大幅減少時鐘的電磁波輻射，并且在 CISPR25 Class4 和 Class5 的測試上展現(xiàn)出優(yōu)異的效果。
最新一代符合 AEC-Q100 標準的時鐘發(fā)生器也可以實現(xiàn)完全編程，使系統(tǒng)設計人員能夠在幾分鐘之內(nèi)完全根據(jù)一組特定的時鐘樹要求完全定制出一套解決方案，而無需苦等定制器件的開發(fā)。如果在產(chǎn)品開發(fā)過程中需要更改，則可以通過簡易的軟件或使用 I2C 端口直接在系統(tǒng)內(nèi)輕松地進行更改。
為提高乘客的安全性和體驗，汽車制造商的自動駕駛系統(tǒng)正迅速采用新的網(wǎng)絡、ADAS，以及利用先進的半導體處理器、FPGA、GPU 和以太網(wǎng)交換機 SoC/PHY。這些更高帶寬新平臺的采用，增加了設計的復雜性，同時也增加了對高精度、低抖動、單端和差分參考時鐘的需求。汽車級 AEC-Q100 時鐘發(fā)生器的推出，為系統(tǒng)設計人員提供集成式高性能解決方案，能夠將整個時鐘樹集成到單個 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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