技术干货－智能汽车时钟设计的关键需求

SiliconLabs 2021-04-19 00:00

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汽车系统设计者从计算和通信市场借鉴了久经验证的时钟设计最佳方法，而基于硅芯片的时钟解决方案数十年来一直是这些市场中优选的解决方案。 Silicon Labs（亦称“芯科科技”）时钟产品高级营销经理 Kyle Beckmeyer特别于近期撰写一篇技术文章，说明关于新型智能汽车的时钟设计关键需求与理想的时钟发生器解决方案。

您将了解到

汽车电子中所需的精密参考时钟数量正在增加系统设计的复杂性并改变最佳实践方法。
将时钟需求从石英换成硅芯片的好处。
将多个参考时钟整合为一个简化时钟树的好处。
基于硅的时钟器件如何为系统设计人员提供灵活性，并帮助他们满足安全要求。

汽车电子系统的演进

当前，汽车电子产品的发展比以往任何时候都更快，特别是制造商们正在将功能丰富的信息娱乐系统和先进驾驶辅助系统（ ADAS）引入其产品线，同时还在开发全自动驾驶汽车。先进的半导体技术正在帮助这些新的车辆系统实现快速的开发和部署。

在这方面，半导体制造商正在将更多汽车级产品推向市场，包括更高带宽的处理器、 GPU、高速 PCI Express交换机、以太网交换机 SoC/PHY，以及 FPGA。采用最新一代的汽车级 IC平台和连接解决方案大大提升了系统能力、功能、性能和成本，但也为系统设计人员带来了设计复杂性方面的全新挑战。

这些挑战之一，就是要满足处理器、 FPGA、交换机 SoC、以太网 PHY、 USB PHY和 PCI Express Gen3/4端点中的高速 SerDes对高精度、低抖动参考时钟日益增长的需求。所有这些器件都正在迅速融入汽车网络网关、信息娱乐系统、数字驾舱、 ADAS、激光雷达（ LiDAR）和自动驾驶控制单元中。

随着汽车电子设备的功能和复杂性逐步升级，上述系统所需的精密参考时钟的数量也在不断增加。因此，系统设计者从计算和通信市场借鉴了久经验证的时钟设计最佳方法，而基于硅芯片的时钟解决方案数十年来一直是这些市场中优选的解决方案。

从石英到硅芯片的演进

从历史上看，汽车系统设计采用了带宽较低的处理器和微控制器，每个电路板设计中仅需要一个或两个单端参考时钟频率。满足这些时钟要求非常简单，因为它们仅需要使用一个或两个石英晶体或晶体振荡器。

随着现代汽车电子设计中参考时钟数量的增加，满足时钟要求最简单的方法就是添加更多的石英晶体或振荡器。然而，扩展基于石英的元器件数量具有许多缺点和局限性。通常，石英晶体和振荡器在汽车设计中具有最高的失效率（ FIT），因此出于对系统可靠性的考虑，添加更多的此类元器件是非常不可取的。

多年来，通信、计算、工业和消费市场一直在使用基于硅芯片的集成时钟发生器解决方案而非石英晶体和振荡器，来满足其精确的参考时钟要求。随着处理器速度和 SerDes带宽水平的提高，对参考时钟抖动的要求变得越来越难以满足。

最新一代的汽车网络网关、 ADAS传感器和自动驾驶平台正在使用高带宽处理器、 FPGA、千兆 /万兆以太网（ 1G/10GbE）连接和 PCI Express Gen3/4/5数据总线，它们都需要 RMS相位抖动小于 500fs的差分时钟。时钟发生器可以将多达 8个石英晶体或振荡器的功能整合到单个 IC中，并在时钟输出上提供出色的 RMS相位抖动性能（小于 300fs），同时提供许多其他功能和优势，有助于简化系统参考时钟设计。

简化时钟树以减少故障点

通过汇总系统设计中所需的参考时钟组合，可以简化最佳时钟解决方案的选择和定义。通常将一组参考时钟称为 “时钟树 ”。时钟树通常包括输入参考频率、端点所需的输出时钟频率、时钟输出电平格式，以及通常由每个端点设备制造商指定的每个参考时钟的最大抖动性能水平（见下表）。

除了新的汽车处理器、 FPGA、连接技术和数据总线半导体解决方案正投入市场之外，符合 AEC-Q100标准的基于硅芯片的时钟解决方案现在也可用于简化汽车应用中的时钟树设计复杂性。通过将参考时钟整合到一个集成时钟发生器中，系统设计人员可以减少故障点，提高系统可靠性，并在抖动性能和频率灵活性方面取得显著优势。与传统的基于石英的器件相比，其他优点还包括节省电路板空间以及降低解决方案总体成本（见下图）。

与传统的基于石英的解决方案相比，时钟发生器在整合度、成本和可靠性方面具有优势

解决障碍：辐射和冗余

随着 ISO26262和 ASIL要求的引入，所有汽车电子设计始终要把安全性放在最重要的位置上。按照这些新标准进行设计可能还会带来新的挑战。基于硅的时钟器件可通过提供冗余的主要和备用参考输入功能、运行状况监测功能，以及可与 ASIL级别的 MCU或系统安全管理 IC连接的故障检测指示引脚，来帮助满足系统安全级别的目标。

过去，汽车电子系统设计人员一直不愿意采用时钟发生器，因为在长线路上传送单端 LVCMOS时钟信号，可能会产生不符合 CISPR25 Class4或 Class5限制要求的潜在辐射。扩频一直是减少辐射的常见措施，但是仅有有限数量的频率和端点允许使用扩频参考时钟。

系统设计人员现在可以使用互补式 LVCMOS输出驱动器来克服这些设计挑战，最新一代 AEC-Q100标准合规的时钟发生器中已提供该驱动器。再结合现代的布局设计指南，辐射水平就可以控制在 CISPR25的限值之内。

随着汽车电子技术的持续发展及其复杂性的不断增加，半导体供应商正在提供更多新型的工业温度级 AEC-Q100器件。符合 AEC-Q100标准的最新一代时钟发生器可最大程度地提高灵活性和可编程性，支持系统设计人员在几分钟之内根据一组特定的时钟树要求完全定制一套解决方案，而不必等待定制器件的开发。如果在产品开发过程中需要更改，则可以通过易用的软件或者在系统内直接使用 I²C端口来轻松进行更改。

结论

为了提高乘客的安全性并优化体验，汽车制造商正在迅速采用新的网络、 ADAS和自动驾驶系统，这些系统使用了先进的半导体处理器、 FPGA、 GPU和以太网交换机 /PHY。采用这些带宽更高的新型平台会增加设计的复杂度，从而加大对高精度、低抖动的单端和差分参考时钟的需求。

汽车级 AEC-Q100时钟发生器的推出，为设计人员提供了集成式高性能解决方案，其能够将整个时钟树集成到单个 IC中，同时与传统的基于石英的晶体和振荡器解决方案相比，可以提高可靠性并降低系统成本。

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