【導讀】現在汽車電子產品的發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和高級駕駛輔助系統(ADAS)導入到產品線，并同時開發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的快速開發和部署，半導體制造商也將越來越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 交換機和以太網交換機 SoC/PHY 以及 FPGA。
現在汽車電子產品的發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和高級駕駛輔助系統(ADAS)導入到產品線，并同時開發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的快速開發和部署，半導體制造商也將越來越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 交換機和以太網交換機 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，可在系統能力、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設計人員帶來了新的挑戰。
這些挑戰之一就是滿足處理器、FPGA、交換機 SoC、以太網 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，進而滿足汽車網絡網關、信息娛樂系統、數字駕駛艙、ADAS、激光雷達和自動駕駛控制單元的需要。在這些不斷發展的新應用中，精密參考時鐘所需的數量正在穩定增加，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。
汽車電子技術的發展
過去，汽車系統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。隨著現代汽車電子設計所使用參考時鐘的數量增加，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量，會增加系統設計的故障點數，以及長期可靠性風險。
多年來，通信、運算、工業和消費類市場一直使用集成式硅基時鐘發生器解決方案，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。最新一代汽車網絡網關、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 數據總線，它們要求差分時鐘的相位抖動低于 500fs RMS。時鐘發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異的 RMS 相位抖動性能(＜300fs RMS)，同時提供許多附加功能和優點，而有助于系統簡化參考時鐘的設計。
時鐘樹要求持續增長
通過整理系統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參考時鐘、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、連接和數據總線半導體解決方案正投入市場之外，經過 AEC-Q100 認證的硅基時鐘解決方案現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生器 IC 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獲得顯著優勢(圖 1)。與傳統的石英器件相比，額外的優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——傳統的多器件方法 vs 最新的優化解決方案。
汽車時序解決方案的進展
除了可在同一器件上產生分數和整數相關輸出頻率以外，最新一代符合 AEC-Q100 標準的時鐘發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品設計的首要任務。這些要求也會帶來新的設計挑戰。要在時序設計方面達到系統安全水平的目標，系統設計人員所使用的時鐘發生器應具備冗余的主要和備用參考輸入、健康狀態監測功能，以及可直接與系統安全管理 IC 通信的故障檢測指示器。
過去，汽車電子系統設計者一直不愿意采用時鐘發生器，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 的測試上展現出優異的效果。
最新一代符合 AEC-Q100 標準的時鐘發生器也可以實現完全編程，使系統設計人員能夠在幾分鐘之內完全根據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。如果在產品開發過程中需要更改，則可以通過簡易的軟件或使用 I2C 端口直接在系統內輕松地進行更改。
為提高乘客的安全性和體驗，汽車制造商的自動駕駛系統正迅速采用新的網絡、ADAS，以及利用先進的半導體處理器、FPGA、GPU 和以太網交換機 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 時鐘發生器的推出，為系統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成本。
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