2020年12月11日 | 汽车时钟技术发展趋势分析，器件虽小，影响深远

如今，汽车严苛的时钟要求，给时钟发生器带来了全新要求，如下所示：

1、汽车电子中所需的精密基准时钟的数量正在增加，导致系统设计的复杂性增加并改变了设计方法。

2、将时钟要求从石英更改为硅具有多种好处。

3、将参考时钟整合为简化的时钟树具有多种好处。

4、基于硅的计时设备可以为系统设计人员提供灵活性，并帮助他们满足安全要求。

汽车电子产品的发展比以往任何时候都快，特别是在制造商将功能丰富的信息娱乐系统和先进的驾驶员辅助系统（ADAS）引入其产品线的同时，还开发了全自动驾驶汽车。先进的半导体技术正在帮助这些新的车辆系统的快速开发和部署。

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和FPGA。采用最新一代的汽车级IC平台和连接解决方案已大大改善了系统功能，功能，性能和成本，但同时也给系统设计人员带来了新的设计复杂性挑战。

这些挑战之一是保证对处理器，FPGA，交换SoC，以太网PHY，USB PHY和PCIe Express Gen3 / 4节点中的高速SerDes的高精度，因此低抖动参考时钟的日益增长的需求。所有这些设备都迅速进入汽车网关，信息娱乐系统，数字驾驶舱，ADAS，LiDAR和自动驾驶控制单元。

随着汽车电子设备的功能和复杂程度的提高，这些系统所需的精密基准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可靠的时序设计最佳实践，而基于硅的时序解决方案数十年来一直是首选的解决方案。

从石英到硅的演进正在进行中

从历史上看，汽车系统设计使用较低带宽的处理器和微控制器，每个板级设计仅需要一个或两个单端参考时钟频率。满足这些时序要求非常简单，因为它们仅使用了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，满足时序要求的最简单方法是简单地添加更多的石英晶体或振荡器。然而，缩放石英部件的数量具有许多缺点和局限性。通常，石英晶体和振荡器是汽车设计中具有最高及时失效率（FIT）的组件，因此出于系统可靠性的原因，添加更多此类组件是非常不好的。

多年来，通信，计算，工业和消费市场一直使用基于硅的集成时钟发生器解决方案来代替石英晶体和振荡器，以满足其精确的参考时钟时序要求。随着处理器速度和收发器带宽水平的提高，参考时钟上的抖动要求变得越来越难以满足。

最新一代的汽车网关，ADAS传感器和自动驾驶平台正在使用高带宽处理器，FPGA，1G / 10GbE连接和PCI Express Gen3 / 4/5数据总线，它们需要小于500fsRMS相位抖动的差分时钟。时钟发生器可以将多达八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（<300 fs RMS），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。

简化时钟树可减少故障点

通过汇总系统设计中所需的参考时钟集，可以简化选择和定义最佳时序解决方案。一组参考时钟通常称为“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，时钟输出格式级别以及每个参考时钟的最大抖动性能级别，这通常由每个端点设备制造商指定（请参见表）。

除了投放市场的新型汽车处理器，FPGA，连接性和数据总线半导体解决方案之外，现在还提供符合AEC-Q100要求的基于硅的时序解决方案，以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的时钟发生器中，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实现明显的优势。其他好处还包括减少电路板面积，更低的成本等。

与传统的基于石英的解决方案相比，时钟发生器具有整合，成本和可靠性方面的优势。

解决安规问题

引入ISO26262和ASIL要求后，安全性始终处于所有汽车电子设计的最前沿。按照这些新标准进行设计可能还会带来新的挑战。基于硅的计时设备可通过提供冗余的主要和备用参考输入功能，运行状况监视功能，可与ASIL等级的MCU或系统安全接口的故障检测指示器引脚相连接，满足系统安全级别。

过去，汽车电子系统设计人员一直不愿采用时钟发生器，因为长距离走线可能会因为电磁辐射从而无法满足CISPR25 4级或5级限制。扩频一直是减少EMI的常见功能，但是有大量情况的参考时钟无法忍受扩频所带来的误差影响。

系统设计人员现在可以使用互补的LVCMOS输出驱动器来克服这些设计难题，该驱动器可在最新一代AEC-Q100认证的时钟发生器中使用，EMI水平已符合CISPR25限值之内。

随着汽车电子技术的不断发展和复杂性的增长，半导体供应商提供了更多的新型AEC-Q100器件，这些器件仅在工业温度级选件中可用。符合AEC-Q100要求的最新一代时钟发生器可最大限度地提高灵活性和可编程性，使系统设计人员能够在几分钟之内就可以根据特定的时钟树要求推出全定制的解决方案，而不必等待定制产品的长开发周期。如果在产品开发过程中需要更改，则可以通过用户友好的软件轻松进行更改，也可以使用I2C端口直接在系统中进行更改。

结论

为了提高乘客的安全性和体验，汽车制造商正在迅速采用新的网络、ADAS和自动驾驶系统，这些系统利用了先进的半导体处理器、FPGA、GPU和以太网交换机/ PHY。采用这些更高带宽的新型平台会增加设计复杂度，从而增加了对高精度、低抖动、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的高性能解决方案，能够将整个时钟树整合到单个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。