2019年03月08日 | MEMS如何保障自动驾驶汽车的“生命线”

工程设计总是在于利弊的权衡，但自动驾驶汽车提出的严苛要求，正在将其推向极限。

- 自动驾驶车辆将生成海量的数据，源自各种形式的视觉传感器，以及探测温度、压力和其它关键参数的环境传感器。

- 通信是不变的需求，车辆内部使用汽车以太网，外部通信未来将会采用5G技术与世界连接。

- 它们在持续振动和冲击的严苛环境中运行。面对外部天气和内部引擎高温的双重影响，温度环境可能很极端。并且，由于车辆外部快速的天气变化，以及车辆内部引擎释放的热量，温度的变化会很快。此外，由于下雨或在潮湿的路面上行驶，水分可能随时存在。

- 汽车在发生危险时会危及乘员生命，因此汽车的各个部件应该始终能够正常运行，如果出现问题，它必须能够在进入安全状态时表现良好。

- 汽车是一种消费品，制造商在要求汽车电子器件具有高性能的同时，也非常注重成本。芯片占位面积必须尽可能小，以节省空间，而且芯片必须以高良率制造，以保持合理的成本。

在所有这些要求中有一个共同的因素贯穿始终，而这也是我们通常认为理所当然的，那就是：时间。为了使一切都能同步运行，即使某些部件出现问题，这些时钟信号也必须正常运行。时钟现在比以往任何时候都更加关键，因此对时钟源提出了极高的要求。

石英已经成为时钟器件的过去时态，现在和将来，MEMS时钟器件提供的独一无二的稳定性和可靠性，足以满足自动驾驶需求。

应对严苛环境

我们的智能手机可能已经很复杂了，但与自动驾驶汽车相比，不值一提。智能手机通常会被我们放在口袋或小包里随身携带，如果不小心摔地上遭受严重的震动，手机有可能就无法工作了。

汽车可就没那么幸福了。外部行驶糟糕的道路，各种减速带，以及与其他车辆或障碍物的意外碰撞，有可能会损伤车辆内部设备，而这些内部构件都需要继续运行。如上所述，车辆内部的温度和温度变化可能也很极端。此外，电磁干扰（EMI）如果处理不当，也可能会影响通信的可靠性。

如果在这些恶劣条件下出现任何故障，那么车辆必须进入一种安全状态。但是，如果协调这一切的时钟器件因环境压力而失效，安全状态就无从谈起了。这是MEMS时钟器件的一个重要优势：MEMS时钟器件比石英器件更加稳健（图1）。例如，某些MEMS器件可提供0.1 ppb/g的稳定性（与石英的0.5 ppb/g相比）。它们可以应对50 kg的冲击和70 g的振动。它们的运行温度在-55 ~ 125°C（比石英器件的范围更广）。而且，凭借可编程边缘速率（±0.25 ~ 40 ns）和高达4%（±0.25%）的扩频能力（石英不具备的功能），MEMS时钟器件可将EMI降低11%。

图1：MEMS与石英时钟器件在热气流和振动下的卫星跟踪对比，石英多次丢失信号，而MEMS表现非常稳定

随着时间的推移，时钟仍必须保持可靠。MEMS时钟器件已经证明了其超高的可靠性。事实上，使用相同的示例，它们从未出现过一次失效故障。系统寿命期间测量统计的每百万缺陷数（DPPM）已降至1.6以下，平均故障间隔时间（MTBF）超过10亿小时（即114000年）。而石英器件的每百万缺陷数约为200 ~ 500，平均故障间隔时间不到5000万小时。此外，MEMS没有频率扰动（activity dips）或微跳变问题，也没有冷启动的问题，而这些一直是石英器件需要面对的挑战。与仅满足AIC-Q200要求的石英相比，MEMS时钟器件还能够满足AEC-Q100测试要求。

车辆内外通信

据麦姆斯咨询介绍，汽车行业已经采用以太网的形式来处理车辆内部通信。这包括各个域内以及之间的功能通信，例如传动系统、底盘和中心堆栈等。数据速率可以达到10、40和/或100 Gbps。就我们熟知的家庭和办公室网络中的以太网，汽车以太网解决了“正常”以太网带来的几个问题。

- 具有较低的射频（RF）噪声，减少信号之间的干扰。

- 它为请求和发送紧急传感器和其他数据提供微秒延迟。

- 带宽可以分配给具有特定延迟要求的特定数据流。

- 可以在组件之间同步时钟，以实现同时数据采样等功能。

与此同时，5G将承担车辆与外部世界的通信，例如与其他车辆、本地基础设施和手机信号塔等。这种所谓的“车联网”系统对5G时钟提出了非常高的要求：网络端10 ns的延迟，频率进入两位数千兆赫范围。

图2：汽车电子需要通过汽车以太网进行内部通信，并通过5G进行外部通信

这些通信将涵盖非常关键的应用，如车辆间的对话；以及便利性应用，如流媒体音乐（无论实时与否）。所有这些都必须可靠地运行，以确保安全舒适的乘坐体验。MEMS时钟器件能够提供确保内部和外部网络运行所需的频率和抖动性能，如频率高于700 MHz，稳定性为±0.1 ppm（-40 ~ 105℃）或±20 ppm（-55 ~ 125℃）。

相比之下，石英时钟器件的的频率选择较少，且全部采用大型封装。它们在-40 ~ 125℃范围内的稳定性仅为±50 ppm。此外，石英时钟器件还有所谓的频率扰动等其他异常状况，使它们在安全关键应用中不太可靠。

时钟器件尺寸不断缩小

最后，时钟器件所需占用的空间越小越好。也就是说，您可以根据自己的优先级进行选择。对于极致的小型封装需求，MEMS可提供2.0 mm x 1.6 mm的DFN封装。如果引线检测对于低成本制造至关重要，那么可以选择SOT23-5封装。

MEMS时钟器件还无需负载电容，单个驱动器可以驱动多个负载。这两种特性都与石英形成了鲜明对比。而且，石英时钟器件从自身特性来说必须使用更大的封装。

图3：针对不同汽车应用的特性

汽车设计开始转向MEMS

汽车应用是可以想象的要求最严苛的应用之一。它们通常在极其恶劣的条件下运行，必须保持内部和外部的可靠通信，并且必须能够收集、处理和分发大量的传感器数据，以便高效和安全地运行。

控制所有这些相互交织的系统的时钟器件必须稳健可靠。它必须提供高性能，同时尽可能小的占位面积。这些都是MEMS时钟器件的优势。人们对自动驾驶，以及更安全地从A点到B点的渴求，推动了时钟器件从石英向MEMS的过渡。