簡化汽車電子的時鍾樹設計
發布時間:2020-12-03 責任編輯:lina
【導讀】現在汽車電子產品的發展比以往任何時候都快,特別是在各製造商都在將功能豐富的信息娛樂係統和高級駕駛輔助係統(ADAS)導(dao)入(ru)到(dao)產(chan)品(pin)線(xian),並(bing)同(tong)時(shi)開(kai)發(fa)全(quan)自(zi)動(dong)駕(jia)駛(shi)汽(qi)車(che)的(de)時(shi)候(hou)。先(xian)進(jin)的(de)半(ban)導(dao)體(ti)技(ji)術(shu)有(you)助(zhu)於(yu)這(zhe)些(xie)新(xin)型(xing)汽(qi)車(che)係(xi)統(tong)的(de)快(kuai)速(su)開(kai)發(fa)和(he)部(bu)署(shu),半(ban)導(dao)體(ti)製(zhi)造(zao)商(shang)也(ye)將(jiang)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)汽(qi)車(che)級(ji)產(chan)品(pin)推(tui)向(xiang)市(shi)場(chang),包(bao)括(kuo)更(geng)高(gao)帶(dai)寬(kuan)的(de)處(chu)理(li)器(qi)、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,特別是在各製造商都在將功能豐富的信息娛樂係統和高級駕駛輔助係統(ADAS)導(dao)入(ru)到(dao)產(chan)品(pin)線(xian),並(bing)同(tong)時(shi)開(kai)發(fa)全(quan)自(zi)動(dong)駕(jia)駛(shi)汽(qi)車(che)的(de)時(shi)候(hou)。先(xian)進(jin)的(de)半(ban)導(dao)體(ti)技(ji)術(shu)有(you)助(zhu)於(yu)這(zhe)些(xie)新(xin)型(xing)汽(qi)車(che)係(xi)統(tong)的(de)快(kuai)速(su)開(kai)發(fa)和(he)部(bu)署(shu),半(ban)導(dao)體(ti)製(zhi)造(zao)商(shang)也(ye)將(jiang)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)汽(qi)車(che)級(ji)產(chan)品(pin)推(tui)向(xiang)市(shi)場(chang),包(bao)括(kuo)更(geng)高(gao)帶(dai)寬(kuan)的(de)處(chu)理(li)器(qi)、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 平台和連接解決方案,可在係統能力、功能、性能和成本方麵帶來顯著的效益改善,但設計的複雜性也為係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、低抖動參考時鍾日益增長的需求,進而滿足汽車網絡網關、信息娛樂係統、數字駕駛艙、ADAS、jiguangleidahezidongjiashikongzhidanyuandexuyao。zaizhexiebuduanfazhandexinyingyongzhong,jingmicankaoshizhongsuoxudeshuliangzhengzaiwendingzengjia,xuyaoduibutongshizhongtongshitigongdanduanhechafenshizhonggeshi,yijidizhi 300fs 的 RMS 相位抖動要求。
汽車電子技術的發展
過guo去qu,汽qi車che係xi統tong設she計ji使shi用yong較jiao低di帶dai寬kuan的de處chu理li器qi和he微wei控kong製zhi器qi,每mei塊kuai電dian路lu板ban設she計ji隻zhi需xu要yao一yi到dao兩liang個ge單dan端duan參can考kao時shi鍾zhong頻pin率lv。滿man足zu這zhe些xie時shi序xu要yao求qiu很hen簡jian單dan,因yin為wei它ta們men隻zhi需xu使shi用yong一yi兩liang個ge石shi英ying晶體huojingtizhendangqi。suizhexiandaiqichedianzishejisuoshiyongcankaoshizhongdeshuliangzengjia,manzushixuyaoqiuzuijiandandefangfashitianjiagengduodeshiyingjingtihuozhendangqi,raner,tiaozhengshiyingyuanjianshuliangdefangfayouxuduoquedianhejuxianxing。chulehuizengjiadianlubankongjianhechengbenwai,shiyingjingtihezhendangqixiantianshangrongyizaoshouchongjihezhendongguzhang,youhengaodeshijianguzhang(FIT)率。增加石英晶體和振蕩器的數量,會增加係統設計的故障點數,以及長期可靠性風險。
多年來,通信、運算、工gong業ye和he消xiao費fei類lei市shi場chang一yi直zhi使shi用yong集ji成cheng式shi矽gui基ji時shi鍾zhong發fa生sheng器qi解jie決jue方fang案an,而er非fei石shi英ying晶jing體ti和he振zhen蕩dang器qi,來lai滿man足zu對dui精jing確que參can考kao時shi鍾zhong時shi序xu的de要yao求qiu。為wei確que保bao係xi統tong正zheng常chang工gong作zuo並bing將jiang誤wu碼ma率lv降jiang至zhi最zui低di,高gao精jing準zhun度du、低抖動的參考時鍾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,對參考時鍾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台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,它們要求差分時鍾的相位抖動低於 500fs RMS。時鍾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,並能在時鍾輸出上提供優異的 RMS 相位抖動性能(<300fs RMS),同時提供許多附加功能和優點,而有助於係統簡化參考時鍾的設計。
時鍾樹要求持續增長
通過整理係統設計所需的參考時鍾組合,可以簡化選擇和確定最佳時序解決方案。一組參考時鍾通常被稱為“時鍾樹”。時鍾樹通常包括輸入參考時鍾、端點所需的輸出時鍾頻率、時鍾輸出電平格式,以及每個參考時鍾的最大抖動性能水平——其通常由每個端點器件製造商指定(表 1)。

表 1:時鍾樹指標。
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 認證的矽基時鍾解決方案現在也可用於簡化汽車應用中日益複雜的時鍾樹設計問題。通過將參考時鍾集成到時鍾發生器 IC 中,係統設計人員可以減少故障點,提高係統可靠性,並在抖動性能和頻率靈活性方麵獲得顯著優勢(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麵積以及降低解決方案的總成本。

圖 1:時鍾樹實現——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 標準的時鍾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de要yao求qiu之zhi下xia,安an全quan性xing一yi直zhi是shi所suo有you汽qi車che電dian子zi產chan品pin設she計ji的de首shou要yao任ren務wu。這zhe些xie要yao求qiu也ye會hui帶dai來lai新xin的de設she計ji挑tiao戰zhan。要yao在zai時shi序xu設she計ji方fang麵mian達da到dao係xi統tong安an全quan水shui平ping的de目mu標biao,係xi統tong設she計ji人ren員yuan所suo使shi用yong的de時shi鍾zhong發fa生sheng器qi應ying具ju備bei冗rong餘yu的de主zhu要yao和he備bei用yong參can考kao輸shu入ru、健康狀態監測功能,以及可直接與係統安全管理 IC 通信的故障檢測指示器。
過去,汽車電子係統設計者一直不願意采用時鍾發生器,因為潛在的電磁輻射問題可能無法符合 CISPR25 Class4 或 Class5 的限製要求。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鍾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鍾,結合新的布局指南和實踐,可大幅減少時鍾的電磁波輻射,並且在 CISPR25 Class4 和 Class5 的測試上展現出優異的效果。
最新一代符合 AEC-Q100 biaozhundeshizhongfashengqiyekeyishixianwanquanbiancheng,shixitongshejirenyuannenggouzaijifenzhongzhineiwanquangenjuyizutedingdeshizhongshuyaoqiuwanquandingzhichuyitaojiejuefangan,erwuxukudengdingzhiqijiandekaifa。ruguozaichanpinkaifaguochengzhongxuyaogenggai,zekeyitongguojianyideruanjianhuoshiyong I2C 端口直接在係統內輕鬆地進行更改。
為提高乘客的安全性和體驗,汽車製造商的自動駕駛係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。這些更高帶寬新平台的采用,增加了設計的複雜性,同時也增加了對高精度、低抖動、單端和差分參考時鍾的需求。汽車級 AEC-Q100 時鍾發生器的推出,為係統設計人員提供集成式高性能解決方案,能夠將整個時鍾樹集成到單個 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係統成本。
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