【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

时间： 2021-01-13 来源：Silicon Labs

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高级驾驶辅助系统（ADAS）向驾驶员提供反馈，或协助驾驶员进行驾驶操作、制动或加速，以提高车辆内外人员的安全性。ADAS系统包含复杂程度不同的各种功能，并且正在为完全自主车辆铺平道路。汽车工程师协会将自动驾驶定义了6个级别，范围从无自动化（级别0）到完全自动化（级别5）。

每个自动化级别都为车辆规定了更高程度的自主驾驶功能，这就需要更高程度的处理能力和数据路径连接性，以使用车辆内外传感器收集的数据来导航车辆。随着车辆由人控制转变为汽车自主控制，安全性变得愈发重要，并且成为ADAS系统设计中最为关键的要素之一。

ADAS系统涵盖各种应用和设计复杂性。时序要求也会有很大差异，并且随着上述的每种自动化级别逐级递进而变得越来越重要。从级别2跳至级别3需要大幅增加设计复杂性，因此为时钟树设计带来了新的挑战。采用高带宽FPGA或处理器、高速数据总线和1GbE/10GbE以太网连接带来了对混合变化频率的差分和单端时钟的需求，其中一些时钟要求抖动性能低于500fs RMS，以满足高速SerDes和PCIe-Express接口的需求。在为ADAS设计选择时序解决方案时，建议考虑以下方面：

1、总结时钟树：首先梳理所有参考时钟、性能水平以及设计中所需的相关时序功能。这通常称为时钟树。每种单独设计都有其独特的时钟树，但通常需要具有不同等级抖动性能要求的单端时钟和差分时钟。开始确定时序解决方案时对时钟树进行总结将非常有用。

2、可靠性：石英晶体和振荡器组件都是易受冲击和发生振动故障的机械设备。甚至连符合AEC-Q200标准的设备都具有较高FIT失效率，且通常是系统设计中失效率最高的组件。级别3/4/5的ADAS设计通常需要8个或更多参考时钟。在系统设计中添加越来越多的石英晶体和振荡器组件不仅会增加物料表和系统总成本，还会增加可靠性方面的顾虑，因为石英元件易受冲击和发生振动故障。一种更好的方法是将石英晶体和振荡器组件的功能集成到一个时钟发生器解决方案中，采取这种方法会大大降低与设计时序部分相关的FIT失效率，同时还会提供有益于时钟树设计的许多其他功能，例如减少EMI/EMC的扩频功能、频率选择和故障监控。

3、频率灵活性：高带宽FPGA和处理器平台需要在不同输出电压下采用单端和差分输出格式级别的变化频率的参考时钟，且所有参考时钟要求低抖动。SILICON LABS（芯科科技）获得专利的MultiSynth输出分频技术在高达12输出的整数和分数相关输出频率上均可提供0ppm合成错误，同时保持业界最佳的抖动性能。每种时钟输出都可以单独设置为特定的输出格式级别，并且可以连结不同的输出电压水平，从而轻松满足用户的系统设计要求。

4、安全合规性：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，例如针对冗余的主参考输入和备份参考输入、输入参考健康状况和状态监测、参考信号损耗故障检测指示器、用于与ASIL系统安全管理器IC通信的硬件接口引脚以及从主输入源迁移至二次输入源的能力。

5、EMI/EMC：大多数ADAS时钟树由单端和差分参考时钟组成。单端LVCMOS参考时钟是高速数字设计中的常见发射源，并且通常是能否满足CISPR25 Class-4和Class-5发射要求的关键所在。Silicon Labs提供了一种克服这一挑战的独特方式，即在AEC-Q100 Si5332时钟发生器中使用互补性LVCMOS输出驱动器。系统设计者可以通过遵循AN1237中建议的设计指南，减少LVCMOS时钟产生的发射。

6、功能集和集成：除了以上提到的安全功能和互补性LVCMOS功能外，Silicon Labs的Si5332时钟发生器还配备了许多可以简化设计的其他功能，例如减少EMI的扩频功能、频率选择功能、硬件输出使能控制以及多配置文件选择。实现低抖动性能始终是优先考虑的事项，因此Silicon Labs的时钟发生器在所有电源引脚上都包含了片上LDO，从而带来了业界最佳的PSNR性能。通过片上实现抑制外部电源和板级噪声极大减少了电源滤波所需的外部组件数量，从而降低了电路板空间和成本，并确保了输出时钟抖动性能符合数据表规格限值。

7、PCIe时序：PCI-Express是一种用于级别3/4/5 ADAS设计的常用数据总线，这增加了每个PCIe端点对低抖动差分参考时钟的需求。Silicon Labs的Si5332可编程时钟发生器、Si5225x PCIe Gen1/2/3/4/5时钟发生器和Si5325x PCIe Gen1/2/3/4/5具有带内部端接的低功耗HCSL输出驱动器，能够匹配85ohm或100ohm传输线路，而无需任何外部端接。正确测量PCIe参考时钟上的抖动并不容易，因此为简化流程并消除混淆，Silicon Labs开发了PCIe时钟抖动工具。

8、定制：Silicon Labs的ClockBuilder Pro软件工具可指导用户轻松、逐步地生成针对您的时钟树要求的配置文件。配置文件完成后，ClockBuilder Pro可针对用户的设计专门分配一个定制部件号，提供相关数据表附录，并允许用户将其保存以备后用。

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冷若冰 Lv7. 资深专家 2021-01-13

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