新興汽車(chē)應用的新需求      

 

現如今，汽車(chē)通常都會(huì )搭載高級駕駛輔助系統（ADAS）（包括車(chē)載攝像頭、超聲波感應、LiDAR和雷達）、信息娛樂(lè )系統以及車(chē)載網(wǎng)絡(luò )等等，而這一切都需要依賴(lài)精確的時(shí)序。盡管MEMS振蕩器投產(chǎn)并應用于汽車(chē)領(lǐng)域的時(shí)間已長(cháng)達十多年之久，但搭載ADAS的自動(dòng)駕駛汽車(chē)需要更為強大的功能，普通的時(shí)間同步器件顯然已無(wú)法勝任。

 

汽車(chē)領(lǐng)域的需求

 

可靠性一直以來(lái)都是汽車(chē)制造商及其電子系統供應商所關(guān)注的焦點(diǎn)。石英振蕩器通常采用對石英晶體進(jìn)行機械切割和打磨的方式來(lái)獲得所需頻率，并封裝在密封的外殼中。但由于晶振的結構比較單薄，極易受到振動(dòng)影響而損壞，因此其頻率通常限制為固定頻率。而且，這類(lèi)器件的清潔生產(chǎn)等級也不高。此外，尺寸相對較大的石英器件在沖擊和振動(dòng)較高的條件下甚至無(wú)法很好地保持性能。 

 

相比之下，MEMS振蕩器則在集成電路（IC）制造廠(chǎng)中生產(chǎn)，因此與其他IC一樣具有非常高的清潔等級。確切地說(shuō)，與傳統的晶振相比，抗振動(dòng)能力提高了5倍，MEMS振蕩器的可靠性提高了20倍，抗沖擊能力更是提高了500倍。

 

此外，MEMS振蕩器還兼具小巧尺寸和堅固耐用的特性。相比之下，晶振的尺寸是有限度的，而且尺寸越小，價(jià)格越貴。在第一批空間很有限的汽車(chē)應用中，由于晶振尺寸過(guò)大，無(wú)法滿(mǎn)足極為嚴格的空間限制要求，才不得已對車(chē)內的部分攝像頭進(jìn)行改裝。因此，MEMS技術(shù)自然而然地成為了這批汽車(chē)應用的理想替代解決方案。此外，ADAS等許多全新汽車(chē)應用均更為青睞較小的封裝，因此MEMS振蕩器的尺寸成為了取代晶振的另一個(gè)驅動(dòng)因素。

 

MEMS振蕩器還有一項優(yōu)勢是能夠在極高溫度下保持其頻率穩定性。相比之下，石英器件則會(huì )隨著(zhù)溫度的變化呈現出明顯的非線(xiàn)性特性，因此很難保持頻率穩定性。目前可用的MEMS振蕩器為1級（即，-40°C至+125°C的環(huán)境工作溫度范圍（根據AEC-Q100標準））。而新一代MEMS振蕩器將支持更高的溫度，能夠滿(mǎn)足汽車(chē)中部分區域的0級（-40°C至150°C）需求（見(jiàn)表1）。

 

表1：以下為AEC-Q100不同等級的工作溫度

 

在汽車(chē)應用中，往往會(huì )由于振蕩器安裝位置的環(huán)境溫度較高和/或需要將振蕩器放置在印刷電路板（PCB）上的特定位置而出現溫度過(guò)高的問(wèn)題。而且，汽車(chē)中的連接等級越高，所需的IC功率也會(huì )越高。這些IC散發(fā)的熱量會(huì )導致附近元件的局部環(huán)境溫度升高。此外，為了保持系統穩定性，通常需將晶振放置在依靠它工作的IC附近，歷史數據表明此類(lèi)晶振支持3級。但是，這種情況正在發(fā)生變化。

 

信息娛樂(lè )系統中的微處理器往往會(huì )消耗大量熱量，盡管大多數汽車(chē)內部元件被指定為2級（最高105°C），但靠近處理器的時(shí)鐘需要支持1級（最高125°C）。由于這些功能強大的處理器很容易使晶振升溫，進(jìn)而導致其因溫度漂移和頻率偏移而超出所需的頻率范圍，因此MEMS振蕩器堪稱(chēng)絕佳的替代解決方案。如果想要繼續使用晶振，其中一種解決方案是將其安裝在遠離處理器的位置，但這樣會(huì )影響PCB上的局部布局。另一種解決方案是使用穩定性更高（-50°C至125°C）的晶振，但成本也更高——可能是原來(lái)的三倍或三倍以上。

 

相比之下，MEMS振蕩器因配備有源溫度補償電路而顯得更為出色。該電路可以通過(guò)溫度檢測與調節功能實(shí)時(shí)校正溫度變化（每秒多達30次），從而保持恒定的輸出頻率。這為高溫應用帶來(lái)了非常精確（誤差低至±20 ppm）的溫度穩定性，并且與高穩定性晶振相比成本更低。

 

隨著(zhù)圖形（GPU）和計算（CPU）IC及其相關(guān)電源管理IC的性能和處理能力不斷提高，現有晶振勢必將因相關(guān)方面的局限性而面臨越來(lái)越多的挑戰。 

 

MEMS振蕩器技術(shù)                                           

 

MEMS振蕩器的核心基礎是MEMS諧振器。這是一種由硅蝕刻而成的結構，可產(chǎn)生非常精確的機械振動(dòng)，從而提供精確的頻率。自由梁短支架（FFS）諧振器設計如圖1所示。諧振梁與基板上的四個(gè)錨定位置接觸，它位于基板之上并留有狹小的間隙，以便諧振器能夠自由移動(dòng)。

 

圖1：該圖所示為使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀(guān)察到的微機械加工FFS諧振梁（僅為30 × 50 μm）。

 

FFS諧振梁下方的電極形成了靜電換能器。當諧振梁和電極處于不同電壓下時(shí)，它們之間會(huì )產(chǎn)生一個(gè)力。換能器間隙的作用相當于時(shí)變電容，偏置時(shí)以諧振頻率產(chǎn)生輸出電流。 

 

為了實(shí)現高品質(zhì)因數，MEMS諧振器將通過(guò)封蓋和密封工藝（采用熔接技術(shù)）密封在真空環(huán)境中。由此實(shí)現的晶圓級封裝可廣泛用于各種注塑IC封裝。圖2顯示了密封MEMS芯片內的諧振器如何堆疊到CMOS應用特定的集成電路（ASIC）上。MEMS器件通過(guò)接合線(xiàn)連接到ASIC芯片。

 

圖2：此處給出了完整MEMS振蕩器結構的分解圖。

 

在A(yíng)SIC中，片上可一次性編程（OTP）存儲器和縱橫開(kāi)關(guān)實(shí)現了產(chǎn)品靈活性。設置輸出頻率的PLL和分頻器值以及溫度校準設置、輸出協(xié)議選擇、上升/下降時(shí)間控制、使能引腳上拉/下拉值等均存儲在該存儲器中。

 

實(shí)際上，MEMS ASIC中可以添加許多功能。例如可以添加多個(gè)輸出，這樣有助于減少所需空間以及實(shí)現石英晶振上無(wú)法添加的功能?；蛘咭部梢蕴砑訑U頻功能，從而減少或避免電磁干擾（EMI）問(wèn)題。EMI也可能受時(shí)鐘輸出的上升和下降時(shí)間影響。我們當時(shí)利用了MEMS振蕩器中ASIC的可編程性來(lái)更改時(shí)鐘的上升和下降時(shí)間，非常及時(shí)地解決了這一問(wèn)題并最終完成了設計。

 

汽車(chē)級MEMS時(shí)序解決方案                                           

 

最近推出的DSA11x1和DSA11x5均為汽車(chē)級MEMS振蕩器和時(shí)鐘發(fā)生器，它們符合AEC-Q100標準，在-40°C至+125°C的溫度范圍內具備出色的頻率穩定性（低至±20 ppm），專(zhuān)門(mén)用于A(yíng)EC 1級、2級和3級應用。

 

這些MEMS振蕩器的相位抖動(dòng)均低于1 ps（典型值），工作頻率范圍為2.3 MHz至170 MHz，并且有2.5 mm x 2.0 mm、3.2 mm x 2.5 mm和5.0 mm x 3.2 mm三種符合行業(yè)標準的小巧尺寸可供選擇，厚度均為0.85 mm。DSA1105/25在功能上與DSA1101/21相當，但上升和下降時(shí)間相對更長(cháng)，因此可降低EMI。圖3顯示了這些MEMS振蕩器中集成的模塊。

 

圖3：MEMS振蕩器中的各個(gè)模塊完美結合，在整個(gè)溫度范圍內實(shí)現了穩定的時(shí)鐘頻率。

 

MEMS振蕩器中的溫度傳感器與其他電路搭配給出芯片溫度的數字表示，隨后傳送到PLL以校正諧振器絕對頻率的自然擴散以及溫度系數。圖4所示為利用該項技術(shù)實(shí)現溫度穩定性的示例。

 

圖4：與晶振相比，MEMS振蕩器的頻率穩定性顯著(zhù)提高，特別是在高達125°C的溫度下。

 

多輸出MEMS振蕩器

 

在這些全新推出的符合AEC-Q100的 1級MEMS振蕩器中，有一款振蕩器是業(yè)界首款雙輸出MEMS振蕩器，即DSA2311。這款振蕩器采用2.5 x 2.0 mm封裝（圖5），可替代電路板上的兩個(gè)晶振或其他振蕩器（見(jiàn)圖6）。該器件的兩個(gè)同步CMOS輸出的范圍均為2.3 MHz至170 MHz。這不但能夠節省PCB空間，而且還能降低采購、庫存和安裝成本，并最終提高產(chǎn)品集成度。

 

圖5——Microchip DSA2311 MEMS振蕩器的封裝尺寸為2.5 x 2.0 mm。

 

圖6——此處給出了Microchip DSA2311 MEMS振蕩器的內部框圖。

 

使用雙輸出MEMS振蕩器，可以用單個(gè)器件替代兩個(gè)晶振，從而降低物料清單（BOM）成本。信息娛樂(lè )系統通常包含一個(gè)主板和多個(gè)處理器，而其中每個(gè)部分均需要采用單獨的參考頻率。在這種情況下，可以采用雙輸出MEMS振蕩器來(lái)替代多個(gè)時(shí)鐘。由于PCB空間通常比較有限，因此MEMS振蕩器堪稱(chēng)理想之選，可解決不少問(wèn)題。圖7顯示了如何在汽車(chē)電路中將DSA2311和其他Microchip器件搭配布局。

 

圖7——該應用圖顯示了DSA2311雙輸出MEMS振蕩器如何同時(shí)為兩個(gè)元件提供時(shí)鐘。

 

表2：此表列出了Microchip符合汽車(chē)標準的1級MEMS振蕩器及其特性。

 

Microchip長(cháng)久以來(lái)都非常注重產(chǎn)品的生命周期，而且始終秉承著(zhù)“客戶(hù)驅動(dòng)的淘汰”原則，即根據客戶(hù)的需求來(lái)決定產(chǎn)品的停產(chǎn)時(shí)間。因此，我們能夠保證為汽車(chē)制造商及其供應商源源不斷地供應MEMS振蕩器，而且供應時(shí)間遠遠超過(guò)其他半導體供應商。

 

時(shí)間就是金錢(qián)                                           

 

對于任何設計變更而言，設計支持至關(guān)重要。利用Microchip的在線(xiàn)ClockWorks®配置器工具，設計人員可根據頻率、封裝尺寸和溫度范圍輕松選擇和定制適合其應用的MEMS振蕩器，而且還可訂購免費樣片。此外，使用Clockworks配置器甚至還可以自定義DSA2311雙輸出時(shí)鐘發(fā)生器的兩個(gè)輸出頻率。

 

雖然客戶(hù)使用配置器需要2至5天才能收到樣片，但收到樣片后，設計人員可以使用TimeFlash 2現場(chǎng)編程工具包，幾秒鐘即可將空白的現場(chǎng)可編程振蕩器編程為自定義頻率并執行設計驗證。將工具包插入PC的USB端口即可在用戶(hù)電腦桌面上進(jìn)行閃存編程。該工具包還能夠測量標準振蕩器的頻率精度和功耗，以及測量電流和穩定性。

 

擁抱改變，成就卓越                                                                                       

 

在過(guò)去的20年里，可靠性已逐漸成為汽車(chē)制造商倍加關(guān)注的焦點(diǎn)。在PCB上，IC的可靠性最高。但包括晶振在內的其他元件均尚未達到這一基準水平。相比之下，MEMS振蕩器已將振蕩器的可靠性提升至IC水平，這對汽車(chē)客戶(hù)來(lái)說(shuō)大有裨益。自動(dòng)駕駛等應用通常需要達到最高級別的可靠性，因此MEMS振蕩器解決方案成為了汽車(chē)供應商的最佳選擇。如果您仍在猶豫是否要使用MEMS振蕩器來(lái)取代晶振，不妨再看看MEMS振蕩器所具備的諸多優(yōu)勢：更高的頻率穩定性、節省空間、支持更高的溫度以及出色的抗沖擊和振動(dòng)能力等等。目前，已有越來(lái)越多的汽車(chē)制造商因看重這些優(yōu)勢而轉為采用全新的MEMS振蕩器技術(shù)。

 

 

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