【技术】Silicon Labs解析智能汽车时钟设计的四大关键需求

时间： 2021-04-21 来源：Silicon Labs

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汽车系统设计者从计算和通信市场借鉴了久经验证的时钟设计最佳方法，而基于硅芯片的时钟解决方案数十年来一直是这些市场中优选的解决方案。SILICON LABS（亦称“芯科科技”）时钟产品高级营销经理Kyle Beckmeyer特别于近期撰写一篇技术文章，说明关于新型智能汽车的时钟设计关键需求与理想的时钟发生器解决方案，用户将了解到：

1.汽车电子中所需的精密参考时钟数量正在增加系统设计的复杂性并改变最佳实践方法。

2.将时钟需求从石英换成硅芯片的好处。

3.将多个参考时钟整合为一个简化时钟树的好处。

4.基于硅的时钟器件如何为系统设计人员提供灵活性，并帮助他们满足安全要求。

汽车电子系统的演进

当前，汽车电子产品的发展比以往任何时候都更快，特别是制造商们正在将功能丰富的信息娱乐系统和先进驾驶辅助系统（ADAS）引入其产品线，同时还在开发全自动驾驶汽车。先进的半导体技术正在帮助这些新的车辆系统实现快速的开发和部署。

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，以及FPGA。采用最新一代的汽车级IC平台和连接解决方案大大提升了系统能力、功能、性能和成本，但也为系统设计人员带来了设计复杂性方面的全新挑战。

这些挑战之一，就是要满足处理器、FPGA、交换机SoC、以太网PHY、USB PHY和PCI Express Gen3/4端点中的高速SerDes对高精度、低抖动参考时钟日益增长的需求。所有这些器件都正在迅速融入汽车网络网关、信息娱乐系统、数字驾舱、ADAS、激光雷达（LiDAR）和自动驾驶控制单元中。

随着汽车电子设备的功能和复杂性逐步升级，上述系统所需的精密参考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久经验证的时钟设计最佳方法，而基于硅芯片的时钟解决方案数十年来一直是这些市场中优选的解决方案。

从石英到硅芯片的演进

从历史上看，汽车系统设计采用了带宽较低的处理器和微控制器，每个电路板设计中仅需一个或两个单端参考时钟频率。满足这些时钟要求非常简单，因为它们仅需使用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，满足时钟要求最简单的方法就是添加更多的石英晶体或振荡器。然而，扩展基于石英的元器件数量有许多缺点和局限性。通常，石英晶体和振荡器在汽车设计中具有最高的失效率（FIT），因此出于对系统可靠性的考虑，添加更多的此类元器件是非常不可取的。

多年来，通信、计算、工业和消费市场一直在使用基于硅芯片的集成时钟发生器解决方案而非石英晶体和振荡器，来满足其精确的参考时钟要求。随着处理器速度和SerDes带宽水平的提高，对参考时钟抖动的要求变得越来越难以满足。

最新一代的汽车网络网关、ADAS传感器和自动驾驶平台正在使用高带宽处理器、FPGA、千兆/万兆以太网（1G/10GbE）连接和PCI Express Gen3/4/5数据总线，它们都需要RMS相位抖动小于500fs的差分时钟。时钟发生器可以将多达8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（小于300fs），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。

简化时钟树以减少故障点

通过汇总系统设计中所需的参考时钟组合，可以简化最佳时钟解决方案的选择和定义。通常将一组参考时钟称为“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、时钟输出电平格式，以及通常由每个端点设备制造商指定的每个参考时钟的最大抖动性能水平（见下表）。

除了新的汽车处理器、FPGA、连接技术和数据总线半导体解决方案正投入市场之外，符合AEC-Q100标准的基于硅芯片的时钟解决方案现在也可用于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取得显著优势。与传统的基于石英的器件相比，其他优点还包括节省电路板空间以及降低解决方案总体成本（见下图）。

与传统的基于石英的解决方案相比，时钟发生器在整合度、成本和可靠性方面具有优势

解决障碍：辐射和冗余

随着ISO26262和ASIL要求的引入，所有汽车电子设计始终要把安全性放在最重要的位置上。按照这些新标准进行设计可能还会带来新的挑战。基于硅的时钟器件可通过提供冗余的主要和备用参考输入功能、运行状况监测功能，以及可与ASIL级别的MCU或系统安全管理IC连接的故障检测指示引脚，来帮助满足系统安全级别的目标。

过去，汽车电子系统设计人员一直不愿意采用时钟发生器，因为在长线路上传送单端LVCMOS时钟信号，可能会产生不符合CISPR25 Class4或Class5限制要求的潜在辐射。扩频一直是减少辐射的常见措施，但是仅有有限数量的频率和端点允许使用扩频参考时钟。

系统设计人员现在可以使用互补式LVCMOS输出驱动器来克服这些设计挑战，最新一代AEC-Q100标准合规的时钟发生器中已提供该驱动器。再结合现代的布局设计指南，辐射水平就可以控制在CISPR25的限值之内。

随着汽车电子技术的持续发展及其复杂性的不断增加，半导体供应商正在提供更多新型的工业温度级AEC-Q100器件。符合AEC-Q100标准的最新一代时钟发生器可最大程度地提高灵活性和可编程性，支持系统设计人员在几分钟之内根据一组特定的时钟树要求完全定制一套解决方案，而不必等待定制器件的开发。如果在产品开发过程中需要更改，则可以通过易用的软件或者在系统内直接使用I²C端口来轻松进行更改。

结论

为了提高乘客的安全性并优化体验，汽车制造商正在迅速采用新的网络、ADAS和自动驾驶系统，这些系统使用了先进的半导体处理器、FPGA、GPU和以太网交换机/PHY。采用这些带宽更高的新型平台会增加设计的复杂度，从而加大对高精度、低抖动的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式高性能解决方案，能将整个时钟树集成到单个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。

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型号- SI5332-AM1,SI5332-AM2,SI5332-AM3

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Si5332-AM1/2/3汽车级设备参考手册

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型号- SI5332-AM1,SI5332,SI5357,SI5332-AM2,SI5225X,SI5332-AM3

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型号- SI5332,SI5332-AM1,SI5332-AM2,SI5332-8A-EVB,SI5332-AM3,SI5332-6A-EVB

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型号- 7CM,SX3MX.XXXM20F30TNN,2CM SERIES,3CM SERIES,1CM,1CM SERIES,2CM,3CM,5CM SERIES,7CM SERIES,5CM,SX3M1.000M20F30TNN

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型号- DSX321G,SI52254,7AD02600A06,FA-238A,SI5332,7AD02400A16,AM26072301,SI5225X,SI52258,AM24072301,NX2016SA,SI5335X,LFXTAL071785REEL,7AD02500A1X,AM25072301

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AN1292：Si5332-AM SmartClock™故障检测和监控

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型号- SI5332-AM1,SI5332-AM,SI5332-AM2,SI5332-AM3

2021/01/21 - SILICON LABS - 应用笔记或设计指南 - Rev. 0.1 代理服务技术支持采购服务

Si5332 汽车级产品数据表

描述- Si5332-AM是一款基于Silicon Labs MultiSynth™技术的汽车级任意频率时钟发生器，具备高灵活性，可在多达12种不同的时钟输出端生成各种整数倍和非整数倍频率。该产品具有卓越的抖动性能（190 fs rms），并支持多种输出信号格式，适用于ADAS ECU、Lidar/雷达传感器、汽车网络/网关、自动驾驶ECU、数字驾驶舱/IVI和摄像机/视觉系统等领域。

型号- SI5332G,SI5332,SI5332-AM1,SI5332X-D-AMPR,SI5332-AM,SI5332C,SI5332D,SI5332-AM2,SI5332-AM3,SI5332A,SI5332B,SI5332XDXXXXX-AMPR

January, 2021 - SILICON LABS - 数据手册 - Rev. 1.1 代理服务技术支持采购服务查看更多版本

Si5332 汽车级产品数据表

描述- Si5332是一款汽车级高精度时钟发生器，基于Silicon Labs的MultiSynth™技术，具备灵活的频率合成能力，可生成任意输出频率组合。该产品符合AEC-Q100标准，具有6/8个输出端口，支持多种信号格式和电源电压配置，适用于信息娱乐、雷达传感器、ADAS ECU和LiDAR传感器等领域。

型号- SI5332,SI5332X-D-AMPR,SI5332-AM1,SI5332C,SI5332D,SI5332-AM2,SI5332A,SI5332B,SI5332XDXXXXX-AMPR

July, 2020 - SILICON LABS - 数据手册 - Rev. 1.0 代理服务技术支持采购服务

Si5332 汽车级产品数据表

描述- Si5332是一款基于Silicon Labs MultiSynth™技术的汽车级任意频率时钟发生器，具备高灵活性，可在多达8个不同的时钟输出端生成多种整数倍和非整数倍频率。该设备具有卓越的抖动性能（190 fs rms），并支持多电源应用。Si5332可通过ClockBuilder Pro™软件进行配置，适用于信息娱乐、雷达传感器、ADAS ECU和LiDAR传感器等领域。

型号- SI5332X-D-AMPR,SI5332C,SI5332D,SI5332XDXXXXX-AMPR,SI5332,SI5332-AM1,SI5332B-D-AMPR,SI5332C-D-AMPR,SI5332A-D-AMPR,SI5332D-D-AMPR,SI5332-AM2,SI5332-AM3,SI5332A,SI5332B

September, 2019 - SILICON LABS - 数据手册 - Rev. 0.7 代理服务技术支持采购服务

Si5332汽车级数据表

描述- Si5332是一款基于Silicon Labs专有的MultiSynth™灵活频率合成技术的汽车级时钟发生器。该设备可生成任意组合的输出频率，具有优异的抖动性能（190 fs rms）。其高度灵活的架构允许单个器件在多达8个差分时钟输出上生成广泛的整数和非整数相关频率，频率合成误差为0 ppm。Si5332适用于多种混合电源应用，并提供多个输出银行，每个银行都可以连接到独立的电压。

型号- SI5332,SI5332X-D-AMPR,SI5332-AM1,SI5332C,SI5332D,SI5332-AM2,SI5332-AM3,SI5332A,SI5332B,SI5332XDXXXXX-AMPR

September, 2019 - SILICON LABS - 数据手册 - Rev. 0.7 代理服务技术支持采购服务查看更多版本

Si52254/Si52258产品介绍

描述- 该资料介绍了Si52254和Si52258两款PCIe时钟发生器，适用于汽车级应用。这两款产品提供8个或4个100 MHz PCIe差分时钟输出，符合PCIe Gen1/2/3/4/5通用时钟和SRIS规范。具有低功耗、高可靠性和良好的电磁干扰（EMI）抑制能力。

型号- SI52258A-D01AMR,SI52258A-D01AM,SI52258,SI52254A-D01AMR,SI5225X,SI5224A-D01AM,SI52254,SI52254A-D01AM

January, 2021 - SILICON LABS - 数据手册 - Rev. 1.0 代理服务技术支持采购服务

【应用】Silicon Labs符合AEC-Q100标准、适用于ADAS系统和自主驾驶硬件平台的时序解决方案

在ADAS设计或模块设计中符合ISO26262标准和汽车安全完整性等级（ASIL）非常重要。在这些应用中，可能需要参考时钟冗余或健康监测来达到系统级安全目标。Silicon Labs符合AEC-Q100标准的Si5332时钟发生器包含石英晶体或振荡器解决方案无法提供的故障监控和检测功能。

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2020-09-25 - 新产品代理服务技术支持采购服务

采用SmartClock™技术的Si5332-AM汽车级时钟发生器

描述- Si5332-AM是一款基于Silicon Labs专有的MultiSynth灵活频率合成技术的汽车级时钟发生器。该设备可生成任意组合的输出频率，具有优异的抖动性能（190 fs rms）。其高度灵活的架构允许单个器件在多达12个差分时钟输出上生成广泛的整数和非整数相关频率，频率合成误差为0 ppm。Si5332-AM配备SmartClock技术，提供监测参考输入健康状况、检测故障、将故障通知系统安全管理员以及在出现故障时切换到冗余备份源的能力。

型号- SI5332G,SI5332X-D-AMPR,SI5332-AM,SI5332C,SI5332D,SI5332-AM3 FAMILY,SI5332XDXXXXX-AMPR,SI5332-AM1,SI5332,SI5332-AM2,SI5332-AM3,SI5332A,SI5332B

January, 2021 - SILICON LABS - 数据手册 - Rev. 1.1 代理服务技术支持采购服务

Silicon Labs符合AEC-Q100标准的汽车级时钟产品助力先进智能汽车应用与设计

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