自動(dòng)駕駛汽車設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向MEMS

工程總是需要權(quán)衡取舍，但自動(dòng)駕駛汽車正將其推向極限，要求相互沖突。

這些車輛將從各種形式的視覺(jué)傳感器以及檢測(cè)溫度、壓力和其他關(guān)鍵參數(shù)的環(huán)境傳感器中生成大量數(shù)據(jù)。

通信將保持不變，內(nèi)部使用汽車以太網(wǎng)和 5G 與世界對(duì)話。

它們?cè)跓o(wú)情的環(huán)境中運(yùn)行，不斷振動(dòng)和沖擊。由于外部天氣和內(nèi)部發(fā)動(dòng)機(jī)溫度，溫度可能會(huì)非常高。溫度變化可以是快速的，無(wú)論是外部的，隨著天氣的快速變化，還是內(nèi)部的，例如，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱時(shí)。由于下雨或在潮濕的路面上行駛，水分隨時(shí)可能出現(xiàn)。

汽車危及生命。汽車應(yīng)該始終工作，但如果出現(xiàn)問(wèn)題，它必須能夠在進(jìn)入安全狀態(tài)時(shí)表現(xiàn)良好。

汽車是消費(fèi)品；制造商非常注重成本，即使他們要求其電子產(chǎn)品具有高性能。芯片尺寸必須小以節(jié)省面積，并且電子產(chǎn)品必須能夠以高產(chǎn)量制造以保持價(jià)格在范圍內(nèi)。

一個(gè)共同的線索貫穿了所有這些要求，而且我們通常認(rèn)為這是理所當(dāng)然的：計(jì)時(shí)。為了讓一切都能同步工作，即使出現(xiàn)問(wèn)題，這些時(shí)鐘信號(hào)也必須正常運(yùn)行。時(shí)間現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都更加關(guān)鍵，對(duì)時(shí)間的來(lái)源提出了極高的要求。

雖然石英一直是昨天的計(jì)時(shí)選擇，但現(xiàn)在和未來(lái)，MEMS 技術(shù)提供了唯一足夠強(qiáng)大和可靠的計(jì)時(shí)源，可用于自動(dòng)駕駛。

那里很殘酷！

你的手機(jī)可能很復(fù)雜，但與自動(dòng)駕駛汽車相比，它很容易。它可以放在你的口袋或錢包里旅行；如果它因跌倒而受到?jīng)_擊，它可能無(wú)法生存——這就是我們（遺憾地）所期望的。汽車幾乎沒(méi)有那么幸運(yùn)。崎嶇不平的道路、減速帶，以及 - 天堂禁止 - 與其他車輛或靜止物體的意外相遇都會(huì)使汽車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得粗糙 - 并且這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)預(yù)計(jì)會(huì)繼續(xù)運(yùn)行。溫度 - 和溫度變化 - 可能是極端的。如果不加以管理，電磁干擾會(huì)妨礙可靠的通信。

如果在這些惡劣條件下出現(xiàn)任何故障，那么汽車必須進(jìn)入安全狀態(tài)。但是，如果協(xié)調(diào)一切的時(shí)機(jī)由于環(huán)境壓力而失敗，這一切都不會(huì)發(fā)生。這是 MEMS 計(jì)時(shí)優(yōu)勢(shì)的重要組成部分：MEMS 計(jì)時(shí)源比石英源更穩(wěn)健。例如，供應(yīng)商 SiTime 的MEMS 計(jì)時(shí) 設(shè)備可以提供 0.1 ppb/ g的穩(wěn)定性（與石英的 0.5 ppb/ g相比）。它們可以承受 50 公斤的沖擊力和 70克的的振動(dòng)。它們可以承受 -55 到 125 °C（比石英所能承受的范圍更廣）的溫度（和快速變化）。而且，憑借可編程邊沿速率 （± 0.25 – 40 ns） 和高達(dá) 4% （± 0.25%） 的擴(kuò)頻能力——石英無(wú)法提供的功能，MEMS 時(shí)序可以將 EMI 降低 17%。

隨著時(shí)間的推移，時(shí)序也必須保持可靠。MEMS 時(shí)序已證明其非?？煽?。系統(tǒng)生命周期內(nèi)故障的統(tǒng)計(jì)測(cè)量已降至百萬(wàn)分之 1.6 次缺陷部件 （DPPM） 以下，及時(shí)故障 （FIT） 率低于 1（超過(guò) 10 億小時(shí)，或超過(guò) 114，000 年的平均故障間隔時(shí)間） ，或 MTBF）。使用石英后，您的 DPPM 為 20 – 50，故障間隔時(shí)間少于 5000 萬(wàn)小時(shí)。MEMS 也沒(méi)有活動(dòng)下降，也沒(méi)有冷啟動(dòng)問(wèn)題——這都是石英長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)。與僅滿足 AEC Q200 要求的石英相比，MEMS 源也可以滿足 AEC-Q100 的測(cè)試要求。

內(nèi)外溝通

汽車行業(yè)已經(jīng)確定了一種以太網(wǎng)形式來(lái)處理車輛內(nèi)的通信。這包括各個(gè)域內(nèi)部和之間的功能通信——例如，動(dòng)力總成、底盤和中央堆棧。數(shù)據(jù)速率可能為 10、40 和/或 100 Gbps?；谖覀?cè)诩彝ズ娃k公室網(wǎng)絡(luò)中已知的以太網(wǎng)，它解決了“普通”以太網(wǎng)引起的幾個(gè)問(wèn)題。

它具有較少的射頻噪聲，減少了信號(hào)之間的干擾。

它為請(qǐng)求和傳輸緊急傳感器和其他數(shù)據(jù)提供微秒延遲。

帶寬可以分配給具有特定延遲要求的特定流。

例如，可以在組件之間同步時(shí)序，以允許同時(shí)采樣數(shù)據(jù)。

與此同時(shí)，5G 準(zhǔn)備承擔(dān)與范圍內(nèi)任何事物進(jìn)行外部通信的負(fù)擔(dān)：其他車輛、本地基礎(chǔ)設(shè)施和手機(jī)信號(hào)塔。這種“車輛到 X”或“V2X”系統(tǒng)隨后會(huì)采用 5G 強(qiáng)加的非常緊迫的時(shí)間安排：網(wǎng)絡(luò)兩端的延遲為 10 納秒，頻率達(dá)到兩位數(shù)的千兆赫茲范圍。

這種交流將包括超級(jí)關(guān)鍵的，比如汽車之間關(guān)于誰(shuí)在什么時(shí)候去哪里的對(duì)話，以及方便的，比如流媒體音樂(lè)，實(shí)時(shí)與否。所有這些都必須可靠地工作，以確保安全、舒適的乘坐。MEMS 時(shí)序源提供保持內(nèi)部和外部網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行所需的頻率和抖動(dòng)性能。高于 700 MHz 的頻率，在 ±0.1 ppm（-40 至 105 °C）或 ±20 ppm（-55 至 125 °C）下的穩(wěn)定性支持此性能。

相比之下，石英時(shí)鐘源的頻率選擇較少，全部采用大封裝。它們?cè)?-40 至 125 °C 的溫度范圍內(nèi)僅管理 ±50 ppm 的穩(wěn)定性。它們還遭受所謂的“活動(dòng)下降”和其他異常行為，使其在安全關(guān)鍵型應(yīng)用中的可靠性降低。

縮小時(shí)序足跡

最后，時(shí)序源所需的空間越少越好。也就是說(shuō)，您可以根據(jù)自己的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行選擇。對(duì)于小型封裝的終極要求，MEMS 采用 2.0 毫米 x 1.6 毫米 DFN 封裝。如果引線檢查對(duì)于較便宜的制造至關(guān)重要，則可以在 SOT23-5 封裝中獲得時(shí)序。

MEMS 時(shí)序也不需要負(fù)載電容，單個(gè)驅(qū)動(dòng)器可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載。這兩個(gè)特征都與石英形成鮮明對(duì)比。而石英，就其本質(zhì)而言，必須使用更大的封裝。

汽車設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向 MEMS

汽車應(yīng)用是可以想象到的最苛刻的應(yīng)用之一，尤其是當(dāng)您考慮到芯片的定價(jià)必須與消費(fèi)者價(jià)格點(diǎn)兼容時(shí)。它們?cè)跇O其惡劣的條件下運(yùn)行；他們必須保持內(nèi)部和外部的可靠通信；他們必須能夠收集、處理和分發(fā)大量傳感器數(shù)據(jù)，以保持高效和安全的運(yùn)行。

控制所有這些交織系統(tǒng)的時(shí)間必須穩(wěn)健可靠。它必須提供高性能，同時(shí)創(chuàng)建盡可能小的占用空間。這些都是 MEMS 時(shí)序的特性。從石英到 MEMS 的過(guò)渡將部分由我們對(duì)車輛的渴望導(dǎo)致，這些車輛將我們安全地從這里帶到那里，而我們坐下來(lái)讓汽車來(lái)駕駛。

審核編輯：郭婷