【经验】如何简化汽车电子时钟树的设计？

时间： 2020-11-17 来源：Silicon Labs

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汽车电子产品的发展速度较以往快速许多，尤其制造商在开发全自动化汽车时，会将功能丰富的信息娱乐系统和高级驾驶辅助系统（ADAS）加入产品线。先进的半导体技术有助于这些新型车辆系统的快速开发和部署，半导体制造商也逐渐推出汽车级产品，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和FPGA。最新一代的汽车采用集成电路平台和连接解决方案后，在系统能力、功能、性能和成本方面带来了显著的效益，但设计的复杂性也给系统设计者带来新的挑战。

其中一项挑战是满足处理器、FPGA、交换机SOC、以太网物理层、USB物理层和PCIe Express Gen3/4端点中高速SerDes对高精度、低抖动参考时钟日益增长的需求，这些终端可用于汽车网络网关、信息娱乐系统、数字驾舱、ADAS、激光雷达和自动驾驶控制单元。在这些不断发展的新应用中，对精密参考时钟的需求数量在稳定增加，它们需要这些参考时钟支持单端和差分时钟格式、可变频率，以及低至300fs的RMS相位抖动要求。

汽车电子技术的发展

在汽车史上，汽车系统设计使用较低带宽的处理器和微控制器，每块板的设计只需要一到两个单端参考时钟频率。满足这些定时要求很简单，因为他们只需使用一两个石英晶体或晶体振荡器。随着现代汽车电子设计使用参考时钟数量的增加，满足定时要求的最简单方法是添加更多的石英晶体或振荡器；然而，调整基于石英的组件数量有许多缺点和局限性。除了增加电路板空间和成本外，石英晶体和振荡器先天上易受冲击和振动故障的影响，会造成很高的故障率。增加石英晶体和振荡器的数量会增加系统设计的故障点数以及长期的可靠性风险。

多年来，通信、计算、工业和消费市场一直使用基于硅的集成时钟发生器解决方案来满足对精确参考时钟定时的要求，而非石英晶体和振荡器。为确保系统正常运行并将误码率降至最低，高精度、低抖动的基准时钟在高速设计中至关重要。随着处理器速度和SerDes带宽水平的提高，对基准时钟的抖动要求也变得越来越难以满足。

最新一代汽车网络网关、ADAS传感器和自动驾驶平台目前正使用高带宽处理器、FPGA、1G/10GbE连接和PCI-Express Gen3/4/5数据总线，这些总线要求差分时钟的相位抖动须低于500 fs RMS。时钟发生器可以将多达八个石英晶体或振荡器的功能整合到一个集成电路中，并在时钟输出上提供优异的RMS相位抖动性能（<300fs RMS），同时提供许多附加功能和优点，有助于简化系统参考时钟的设计。

时钟树要求持续增长

通过整理系统设计中所需的参考时钟组合，可以选择和定义最佳的定时解决方案。一组参考时钟通常被称为“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、时钟输出格式以及每个参考时钟最大抖动性能的要求，这些往往由每个终端设备制造商指定。

除了新的汽车处理器、FPGA、连接和数据总线半导体解决方案正投入市场之外，AEC-Q100合规的硅基时钟解决方案现在也可用于简化汽车应用中日益复杂的时钟树设计问题。通过整合参考时钟到集成式时钟发生器中，系统设计者可以减少故障点，提高系统可靠性，并在抖动性能和频率灵活性方面获得显著优势。与传统基于石英的器件相比，额外的优点包括减少占板面积以及降低解决方案的总成本。

汽车时钟解决方案的进展

除了在同一设备产生分数和整数相关的输出频率外，最新一代AEC-Q100合规的时钟发生器配备的全新功能也可以帮助简化汽车电子时钟设计，而这些都是传统石英晶体或振荡器解决方案无法具备的。

随着ISO26262和ASIL要求的引入，安全性始终是所有汽车电子产品设计的首要任务。这些要求也会带来新的设计挑战。要在定时设计方面达到系统安全层级的目标，系统设计人员使用的时钟发生器应具备冗余的主要和备用参考输入功能、健康状态监测功能以及可以直接与系统安全管理IC通信的故障检测指示器。

在过去，汽车电子系统设计者一直不采纳时钟发生器，是因为潜在的电磁排放问题可能无法符合CISPR25 Class 4或Class5的限制要求。展频已经成为减少电磁排放的一种通用做法，但是在应用展频的情况下，能够容许参考时钟展频的频率和端点数量有限。最近由SILICON LABS（亦称“芯科科技”）完成的研究和CISPR25测试显示，使用互补的LVCMOS输出驱动器生成的单端时钟，结合新的布局方法和作业模式，可大幅减少时钟的电磁排放，并且在CISPR25 Class 4和Class5的测试中展现出优异的结果。

最新一代符合AEC-Q100标准的时钟发生器也完全可以编程，使系统设计能够根据特定的时钟树要求，在几分钟内提供完全定制的解决方案，而无须苦等定制器件的开发。如果在产品开发过程中需要更改，则可以通过易于使用的软件来完成或使用I2C端口直接在系统中进行。

为提高乘客的安全性和体验，汽车制造商的自动驾驶系统正迅速采用新的网络、ADAS以及利用先进的半导体处理器、FPGA、GPU和以太网交换机/PHY。采用这些新式、更高带宽的平台增加了设计的复杂性，同时也增加了对高精度、低抖动的单端和差分参考时钟的需求。汽车级时钟发生器的推出为系统设计师提供了集成式高性能解决方案，能够将整个时钟树整合到单一IC电路中，与传统的石英晶体和振荡器解决方案相比，可提高可靠性并降低系统成本。

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