自动驾驶汽车设计转向MEMS

作者：Piyush Sevalia

工程总是需要权衡取舍，但自动驾驶汽车正将其推向极限，要求相互冲突。

这些车辆将从各种形式的视觉传感器以及检测温度、压力和其他关键参数的环境传感器中生成大量数据。

通信将保持不变，内部使用汽车以太网和 5G 与世界对话。

它们在无情的环境中运行，不断振动和冲击。由于外部天气和内部发动机温度，温度可能会非常高。温度变化可以是快速的，无论是外部的，随着天气的快速变化，还是内部的，例如，当发动机预热时。由于下雨或在潮湿的路面上行驶，水分随时可能出现。

汽车危及生命。汽车应该始终工作，但如果出现问题，它必须能够在进入安全状态时表现良好。

汽车是消费品；制造商非常注重成本，即使他们要求其电子产品具有高性能。芯片尺寸必须小以节省面积，并且电子产品必须能够以高产量制造以保持价格在范围内。

一个共同的线索贯穿了所有这些要求，而且我们通常认为这是理所当然的：计时。为了让一切都能同步工作，即使出现问题，这些时钟信号也必须正常运行。时间现在比以往任何时候都更加关键，对时间的来源提出了极高的要求。

虽然石英一直是昨天的计时选择，但现在和未来，MEMS 技术提供了唯一足够强大和可靠的计时源，可用于自动驾驶。

那里很残酷！

你的手机可能很复杂，但与自动驾驶汽车相比，它很容易。它可以放在你的口袋或钱包里旅行；如果它因跌倒而受到冲击，它可能无法生存——这就是我们（遗憾地）所期望的。汽车几乎没有那么幸运。崎岖不平的道路、减速带，以及 - 天堂禁止 - 与其他车辆或静止物体的意外相遇都会使汽车的内部结构变得粗糙 - 并且这些内部结构预计会继续运行。温度 - 和温度变化 - 可能是极端的。如果不加以管理，电磁干扰会妨碍可靠的通信。

如果在这些恶劣条件下出现任何故障，那么汽车必须进入安全状态。但是，如果协调一切的时机由于环境压力而失败，这一切都不会发生。这是 MEMS 计时优势的重要组成部分：MEMS 计时源比石英源更稳健。例如，供应商 SiTime 的MEMS 计时 设备可以提供 0.1 ppb/ g的稳定性（与石英的 0.5 ppb/ g相比）。它们可以承受 50 公斤的冲击力和 70克的的振动。它们可以承受 -55 到 125 °C（比石英所能承受的范围更广）的温度（和快速变化）。而且，凭借可编程边沿速率 （± 0.25 – 40 ns） 和高达 4% （± 0.25%） 的扩频能力——石英无法提供的功能，MEMS 时序可以将 EMI 降低 17%。

随着时间的推移，时序也必须保持可靠。MEMS 时序已证明其非常可靠。系统生命周期内故障的统计测量已降至百万分之 1.6 次缺陷部件 （DPPM） 以下，及时故障 （FIT） 率低于 1（超过 10 亿小时，或超过 114，000 年的平均故障间隔时间） ，或 MTBF）。使用石英后，您的 DPPM 为 20 – 50，故障间隔时间少于 5000 万小时。MEMS 也没有活动下降，也没有冷启动问题——这都是石英长期存在的挑战。与仅满足 AEC Q200 要求的石英相比，MEMS 源也可以满足 AEC-Q100 的测试要求。

内外沟通

汽车行业已经确定了一种以太网形式来处理车辆内的通信。这包括各个域内部和之间的功能通信——例如，动力总成、底盘和中央堆栈。数据速率可能为 10、40 和/或 100 Gbps。基于我们在家庭和办公室网络中已知的以太网，它解决了“普通”以太网引起的几个问题。

它具有较少的射频噪声，减少了信号之间的干扰。
它为请求和传输紧急传感器和其他数据提供微秒延迟。
带宽可以分配给具有特定延迟要求的特定流。
例如，可以在组件之间同步时序，以允许同时采样数据。

与此同时，5G 准备承担与范围内任何事物进行外部通信的负担：其他车辆、本地基础设施和手机信号塔。这种“车辆到 X”或“V2X”系统随后会采用 5G 强加的非常紧迫的时间安排：网络两端的延迟为 10 纳秒，频率达到两位数的千兆赫兹范围。

这种交流将包括超级关键的，比如汽车之间关于谁在什么时候去哪里的对话，以及方便的，比如流媒体音乐，实时与否。所有这些都必须可靠地工作，以确保安全、舒适的乘坐。MEMS 时序源提供保持内部和外部网络运行所需的频率和抖动性能。高于 700 MHz 的频率，在 ±0.1 ppm（-40 至 105 °C）或 ±20 ppm（-55 至 125 °C）下的稳定性支持此性能。

相比之下，石英时钟源的频率选择较少，全部采用大封装。它们在 -40 至 125 °C 的温度范围内仅管理 ±50 ppm 的稳定性。它们还遭受所谓的“活动下降”和其他异常行为，使其在安全关键型应用中的可靠性降低。

缩小时序足迹

最后，时序源所需的空间越少越好。也就是说，您可以根据自己的优先级进行选择。对于小型封装的终极要求，MEMS 采用 2.0 毫米 x 1.6 毫米 DFN 封装。如果引线检查对于较便宜的制造至关重要，则可以在 SOT23-5 封装中获得时序。

MEMS 时序也不需要负载电容，单个驱动器可以驱动多个负载。这两个特征都与石英形成鲜明对比。而石英，就其本质而言，必须使用更大的封装。

汽车设计转向 MEMS

汽车应用是可以想象到的最苛刻的应用之一，尤其是当您考虑到芯片的定价必须与消费者价格点兼容时。它们在极其恶劣的条件下运行；他们必须保持内部和外部的可靠通信；他们必须能够收集、处理和分发大量传感器数据，以保持高效和安全的运行。

控制所有这些交织系统的时间必须稳健可靠。它必须提供高性能，同时创建尽可能小的占用空间。这些都是 MEMS 时序的特性。从石英到 MEMS 的过渡将部分由我们对车辆的渴望导致，这些车辆将我们安全地从这里带到那里，而我们坐下来让汽车来驾驶。