面向汽車應用的Microchip MEMS振盪器和時鐘產品

數十年來，振盪器和時鐘始終依靠石英晶體來產生穩定的參考頻率。晶體在許多應用中表現出十分優異的性能。但十年前，使用MEMS諧振器代替石英晶振的微機電系統（Microelectromechanical System，MEMS）技術進入了市場，並迅速受到廣泛的關注。基於MEMS的時序器件兼具高可靠性、擴展工作溫度、小體積和低功耗特性。

在2015年，Microchip通過收購Micrel獲得了MEMS時序技術，而Micrel在此之前已收購Discera。Discera在2008年交付了第一批振盪器成品，迄今為止已製造並銷售了近1億個器件。
本文將介紹基於MEMS的振盪器和時鐘的汽車應用以及MEMS解決方案的優勢，並提供Microchip白皮書《採用微機電系統（MEMS）技術的Microchip振盪器和時鐘》作為參考。

汽車應用

基於MEMS的振盪器和時鐘有三種主要應用。如圖1所示，這三種應用分別是高級駕駛員輔助系統（Advanced DriverAssistance System，ADAS）、用戶界面（包括信息娛樂和連接系統）以及處理變速箱和發動機控制的智能執行器。

圖1： 汽車應用中的MEMS振盪器

高級駕駛員輔助系統

高級駕駛員輔助系統（ADAS）能夠提供先進的碰撞風險警報、提醒駕駛員並可在某些情況下控制車輛，從而達到提高安全性的目的。該系統將採用包括物體識別和跟蹤在內的計算機視覺技術，並在車身上配備攝像頭、LiDAR系統和雷達等多種傳感器。此外，還可通過無線電從其他車輛和連接網際網路的數據源接收數據。

圖2所示為ADAS LiDAR模塊。FPGA提供信號生成和系統控制功能。FPGA產生的脈衝將被放大並發送到雷射器。Microchip高速ADC隨後將檢測接收到的反射光並將其數字化，然後數據將被發送到第二個FPGA圖像處理器。處理器將進行檢測並向車載網絡發送碰撞警報。

DSC400 MEMS時鐘可驅動高速ADC和FPGA處理器。DSC400是一款符合AEC-100標準並具有低相位噪聲的四輸出時鐘，非常適合高速FPGA。


圖2：ADAS LiDAR模塊

圖3展示了ADAS長距離雷達系統。DSP產生的脈衝波形在射頻基帶單元中被轉換為調製信號，以驅動77 GHz發射器（RF TX）。反之，基帶單元將解調77 GHz接收器（RF RX）接收到的脈衝並交由DSP處理。具有CAN接口的Microchip32位MCU負責提供全面的系統控制，Microchip電源管理IC負責調節車內電氣系統的電源。

DSC2311是一款雙輸出MEMS時鐘，具有與DSC400相似的低相位噪聲，已通過AEC-Q100認證。

圖3：ADAS長距離雷達系統

用戶界面

用戶界面類別包括車載娛樂（In-Car Entertainment，ICE）系統和車載信息娛樂（In-Vehicle Infotainment，IVI）系統。這兩個系統提供音頻和視頻娛樂及駕駛員信息，例如導航。

圖4展示了如何通過後視攝像頭、車載WiFi和藍牙、AM/FM無線電和CD/DVD驅動器接收數據流，然後傳輸到汽車應用處理器。處理器將解碼輸入流並將其轉換為音頻和視頻。用戶通過觸摸面板選擇信息娛樂菜單上的選項以進行通信，隨後所請求的媒體將呈現在音頻系統和顯示器上。

圖4： 信息娛樂主機

DSC1001是符合AEC-Q100標準的低功耗振盪器，非常適合為單片機和微處理器提供時鐘。在該系統中，DSC400的兩路輸出用於音頻處理（12.288 MHz）以及與閃存之間的PCIe通信（100 MHz）。另外兩路輸出可用於其他外設。

變速箱控制單元

變速箱控制單元（Transmission Control Unit，TCU）是一種控制車輛自動變速箱的系統，通過處理來自多個傳感器的輸入來優化換檔，從而改善發動機排放、燃油消耗、操控穩定性以及換檔系統的可靠性。

圖4給出了變速箱控制單元通過一個32位MCU處理多個傳感器輸入（例如輪速和節氣門位置）的圖示。輸出數據通過放大器驅動電路發送到電磁閥，這些電磁閥用於控制變速箱，特別是換檔和變矩器鎖定。數據還通過車載網絡進行交換，從而與其他傳感器和駕駛員顯示屏進行通信。

DSC1104是一款基於MEMS的單輸出HCSL時鐘，非常適合從處理器到存儲器的各種PCIe事務。它符合PCIe Gen1、Gen2、Gen3和Gen4標準。

 

圖5： 變速器控制單元

MEMS解決方案的優勢

Microchip基於MEMS的振盪器和時鐘與傳統石英解決方案相比具有諸多優勢，其中包括穩定的頻率、小尺寸、高可靠性、靈活性、多項可編程特性、快速有保障的啟動功能以及高集成度。所有基於MEMS的振盪器和時鐘均通過AEC-Q100認證或符合AEC-Q100標準。

表1：MICROCHIP基於MEMS的振盪器和時鐘的優勢

 

基於MEMS的振盪器和時鐘性能

我們在MEMS白皮書中全面介紹了Microchip的MEMS技術和性能，請參見本節的結尾部分以了解詳細信息。本應用筆記將探討溫度極限條件（1級，-40°C至+125°C）下頻率穩定性隨時間的變化（抗老化性能）。

頻率穩定性

基於MEMS的振盪器和時鐘將測量晶片溫度，並以數字方式補償MEMS諧振器的溫度係數導致的任何頻率變化，這樣便可保證頻率的穩定性，與傳統石英XO的S曲線形成了鮮明的對比。圖6顯示了小於10 ppm的頻率偏差。

圖6：MEMS振盪器與其他石英產品的頻率穩定性對比

振盪器和時鐘老化

圖7給出了16個DSC60xx器件樣片在經過1000小時加速老化（+85°C）後的情況。頻率偏差最大為2.5 ppm；在+85°C下老化1000小時與在室溫（+25°C）下運行大約12年的結果相當。

 

圖7：16個DSC60xx器件在+85°C下的老化情況

MEMS白皮書

有關MEMS振盪器和時鐘技術與性能的完整詳細信息，請訪問Microchip的MEMS時序頁面，地址為
http://www.microchip.com/design-centers/clock-and-timing/mems-timing。
該頁面上還提供MEMS白皮書。

結論

Microchip基於MEMS的振盪器和時鐘憑藉高可靠性、頻率穩定性和更大的工作溫度範圍而成為汽車應用的理想選擇。這些產品均經過AEC-Q100認證或符合AEC-Q100標準。
如需詳細資料或者需要申請樣片，請聯繫品佳當地辦事處或者發郵件至Microchip@sac.com.hk