簡化汽車電子的時鐘樹設計

現在汽車電子產品的發展比以往任何時候都快，特別是在各製造商都在將功能豐富的信息娛樂系統和高級駕駛輔助系統(ADAS)導入到產品線，並同時開發全自動駕駛汽車的時候。先進的半導體技術有助於這些新型汽車系統的快速開發和部署，半導體製造商也將越來越多汽車級產品推向市場，包括更高帶寬的處理器、GPU、高速PCI-Express交換機和乙太網交換機SoC/PHY以及FPGA。採用最新一代的汽車級IC平臺和連接解決方案，可在系統能力、功能、性能和成本方面帶來顯著的效益改善，但設計的複雜性也為系統設計人員帶來了新的挑戰。KIYednc

這些挑戰之一就是滿足處理器、FPGA、交換機SoC、乙太網PHY、USB PHY和PCI-Express Gen3/4端點中高速SerDes對高精度、低抖動參考時鐘日益增長的需求，進而滿足汽車網絡網關、信息娛樂系統、數字駕駛艙、ADAS、雷射雷達和自動駕駛控制單元的需要。在這些不斷發展的新應用中，精密參考時鐘所需的數量正在穩定增加，需要對不同時鐘同時提供單端和差分時鐘格式，以及低至300fs的RMS相位抖動要求。KIYednc

汽車電子技術的發展

過去，汽車系統設計使用較低帶寬的處理器和微控制器，每塊電路板設計只需要一到兩個單端參考時鐘頻率。滿足這些時序要求很簡單，因為它們只需使用一兩個石英晶體或晶體振蕩器。隨著現代汽車電子設計所使用參考時鐘的數量增加，滿足時序要求最簡單的方法是添加更多的石英晶體或振蕩器，然而，調整石英元件數量的方法有許多缺點和局限性。除了會增加電路板空間和成本外，石英晶體和振蕩器先天上容易遭受衝擊和振動故障，有很高的時間故障(FIT)率。增加石英晶體和振蕩器的數量，會增加系統設計的故障點數，以及長期可靠性風險。KIYednc

多年來，通信、運算、工業和消費類市場一直使用集成式矽基時鐘發生器解決方案，而非石英晶體和振蕩器，來滿足對精確參考時鐘時序的要求。為確保系統正常工作並將誤碼率降至最低，高精準度、低抖動的參考時鐘在高速設計中至關重要。隨著處理器速度和SerDes帶寬水平的提高，對參考時鐘的抖動要求也越來越難以滿足。最新一代汽車網絡網關、ADAS傳感器和自動駕駛平臺目前正使用高帶寬處理器、FPGA、1G/10GbE連接和PCI-Express Gen3/4/5數據總線，它們要求差分時鐘的相位抖動低於500fs RMS。時鐘發生器可以將多達八個石英晶體或振蕩器的功能集成到一個IC中，並能在時鐘輸出上提供優異的RMS相位抖動性能(＜300fs RMS)，同時提供許多附加功能和優點，而有助於系統簡化參考時鐘的設計。KIYednc

時鐘樹要求持續增長

通過整理系統設計所需的參考時鐘組合，可以簡化選擇和確定最佳時序解決方案。一組參考時鐘通常被稱為「時鐘樹」。時鐘樹通常包括輸入參考時鐘、端點所需的輸出時鐘頻率、時鐘輸出電平格式，以及每個參考時鐘的最大抖動性能水平——其通常由每個端點器件製造商指定(表1)。KIYednc

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表1：時鐘樹指標。KIYednc

除了新的汽車處理器、FPGA、連接和數據總線半導體解決方案正投入市場之外，經過AEC-Q100認證的矽基時鐘解決方案現在也可用於簡化汽車應用中日益複雜的時鐘樹設計問題。通過將參考時鐘集成到時鐘發生器IC中，系統設計人員可以減少故障點，提高系統可靠性，並在抖動性能和頻率靈活性方面獲得顯著優勢(圖1)。與傳統的石英器件相比，額外的優點包括減少電路板空間面積以及降低解決方案的總成本。KIYednc

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圖1：時鐘樹實現——傳統的多器件方法 vs 最新的優化解決方案。KIYednc

汽車時序解決方案的進展

除了可在同一器件上產生分數和整數相關輸出頻率以外，最新一代符合AEC-Q100標準的時鐘發生器還配備了完整的全新功能，而能夠幫助簡化汽車電子時序設計——所有這些都是傳統石英晶體或振蕩器解決方案所無法具備的。KIYednc

在導入ISO 26262和ASIL的要求之下，安全性一直是所有汽車電子產品設計的首要任務。這些要求也會帶來新的設計挑戰。要在時序設計方面達到系統安全水平的目標，系統設計人員所使用的時鐘發生器應具備冗餘的主要和備用參考輸入、健康狀態監測功能，以及可直接與系統安全管理IC通信的故障檢測指示器。KIYednc

過去，汽車電子系統設計者一直不願意採用時鐘發生器，因為潛在的電磁輻射問題可能無法符合CISPR25 Class4或Class5的限制要求。擴頻已經成為減少電磁輻射的一種通用做法，但是能夠容許參考時鐘擴頻的頻率和端點數量有限。最近由Silicon Labs完成的研究和CISPR25測試顯示，使用互補式LVCMOS輸出驅動器生成單端時鐘，結合新的布局指南和實踐，可大幅減少時鐘的電磁波輻射，並且在CISPR25 Class4和Class5的測試上展現出優異的效果。KIYednc

最新一代符合AEC-Q100標準的時鐘發生器也可以實現完全編程，使系統設計人員能夠在幾分鐘之內完全根據一組特定的時鐘樹要求完全定製出一套解決方案，而無需苦等定製器件的開發。如果在產品開發過程中需要更改，則可以通過簡易的軟體或使用I²C埠直接在系統內輕鬆地進行更改。KIYednc

為提高乘客的安全性和體驗，汽車製造商的自動駕駛系統正迅速採用新的網絡、ADAS，以及利用先進的半導體處理器、FPGA、GPU和乙太網交換機SoC/PHY。這些更高帶寬新平臺的採用，增加了設計的複雜性，同時也增加了對高精度、低抖動、單端和差分參考時鐘的需求。汽車級AEC-Q100時鐘發生器的推出，為系統設計人員提供集成式高性能解決方案，能夠將整個時鐘樹集成到單個IC電路中，與傳統的石英晶體和振蕩器解決方案相比，可提高可靠性和降低系統成本。KIYednc

作者簡介

Kyle Beckmeyer是Silicon Labs時序產品高級市場經理。Beckmeyer負責管理數據中心和汽車市場的產品戰略、新產品引進和業務開發。Kyle擁有超過15年的定時產品經驗，擁有加州大學戴維斯分校的電氣工程理學士學位和聖克拉拉大學的商業管理碩士學位。KIYednc

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（原文連結：Simplifying Clock Tree Design in Automotive Electronics，由趙明燦編譯）KIYednc

本文為《電子技術設計》2020年11月刊雜誌文章，版權所有，禁止轉載。免費雜誌訂閱申請點擊這裡。KIYednc

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