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MEMS如何保障自动驾驶汽车的“生命线”

2019-03-06

  工程设计总是在于利弊的权衡,但自动驾驶汽车提出的严苛要求,正在将其推向极限。

  - 自动驾驶车辆将生成海量的数据,源自各种形式的视觉传感器,以及探测温度、压力和其它关键参数的环境传感器。

  - 通信是不变的需求,车辆内部使用汽车以太网,外部通信未来将会采用5G技术与世界连接。

  - 它们在持续振动和冲击的严苛环境中运行。面对外部天气和内部引擎高温的双重影响,温度环境可能很极端。并且,由于车辆外部快速的天气变化,以及车辆内部引擎释放的热量,温度的变化会很快。此外,由于下雨或在潮湿的路面上行驶,水分可能随时存在。

  - 汽车在发生危险时会危及乘员生命,因此汽车的各个部件应该始终能够正常运行,如果出现问题,它必须能够在进入安全状态时表现良好。

  - 汽车是一种消费品,制造商在要求汽车电子器件具有高性能的同时,也非常注重成本。芯片占位面积必须尽可能小,以节省空间,而且芯片必须以高良率制造,以保持合理的成本。

  在所有这些要求中有一个共同的因素贯穿始终,而这也是我们通常认为理所当然的,那就是:时间。为了使一切都能同步运行,即使某些部件出现问题,这些时钟信号也必须正常运行。时钟现在比以往任何时候都更加关键,因此对时钟源提出了极高的要求。

  石英已经成为时钟器件的过去时态,现在和将来,MEMS时钟器件提供的独一无二的稳定性和可靠性,足以满足自动驾驶需求。

  应对严苛环境

  我们的智能手机可能已经很复杂了,但与自动驾驶汽车相比,不值一提。智能手机通常会被我们放在口袋或小包里随身携带,如果不小心摔地上遭受严重的震动,手机有可能就无法工作了。

  汽车可就没那么幸福了。外部行驶糟糕的道路,各种减速带,以及与其他车辆或障碍物的意外碰撞,有可能会损伤车辆内部设备,而这些内部构件都需要继续运行。如上所述,车辆内部的温度和温度变化可能也很极端。此外,电磁干扰(EMI)如果处理不当,也可能会影响通信的可靠性。

  如果在这些恶劣条件下出现任何故障,那么车辆必须进入一种安全状态。但是,如果协调这一切的时钟器件因环境压力而失效,安全状态就无从谈起了。这是MEMS时钟器件的一个重要优势:MEMS时钟器件比石英器件更加稳健(图1)。例如,某些MEMS器件可提供0.1 ppb/g的稳定性(与石英的0.5 ppb/g相比)。它们可以应对50 kg的冲击和70 g的振动。它们的运行温度在-55 ~ 125°C(比石英器件的范围更广)。而且,凭借可编程边缘速率(±0.25 ~ 40 ns)和高达4%(±0.25%)的扩频能力(石英不具备的功能),MEMS时钟器件可将EMI降低11%。

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  图1:MEMS与石英时钟器件在热气流和振动下的卫星跟踪对比,石英多次丢失信号,而MEMS表现非常稳定

  随着时间的推移,时钟仍必须保持可靠。MEMS时钟器件已经证明了其超高的可靠性。事实上,使用相同的示例,它们从未出现过一次失效故障。系统寿命期间测量统计的每百万缺陷数(DPPM)已降至1.6以下,平均故障间隔时间(MTBF)超过10亿小时(即114000年)。而石英器件的每百万缺陷数约为200 ~ 500,平均故障间隔时间不到5000万小时。此外,MEMS没有频率扰动(activity dips)或微跳变问题,也没有冷启动的问题,而这些一直是石英器件需要面对的挑战。与仅满足AIC-Q200要求的石英相比,MEMS时钟器件还能够满足AEC-Q100测试要求。

  车辆内外通信

  据麦姆斯咨询介绍,汽车行业已经采用以太网的形式来处理车辆内部通信。这包括各个域内以及之间的功能通信,例如传动系统、底盘和中心堆栈等。数据速率可以达到10、40和/或100 Gbps。就我们熟知的家庭和办公室网络中的以太网,汽车以太网解决了“正常”以太网带来的几个问题。

  - 具有较低的射频(RF)噪声,减少信号之间的干扰。

  - 它为请求和发送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数据流。

  - 可以在组件之间同步时钟,以实现同时数据采样等功能。

  与此同时,5G将承担车辆与外部世界的通信,例如与其他车辆、本地基础设施和手机信号塔等。这种所谓的“车联网”系统对5G时钟提出了非常高的要求:网络端10 ns的延迟,频率进入两位数千兆赫范围。

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  图2:汽车电子需要通过汽车以太网进行内部通信,并通过5G进行外部通信

  这些通信将涵盖非常关键的应用,如车辆间的对话;以及便利性应用,如流媒体音乐(无论实时与否)。所有这些都必须可靠地运行,以确保安全舒适的乘坐体验。MEMS时钟器件能够提供确保内部和外部网络运行所需的频率和抖动性能,如频率高于700 MHz,稳定性为±0.1 ppm(-40 ~ 105℃)或±20 ppm(-55 ~ 125℃)。

  相比之下,石英时钟器件的的频率选择较少,且全部采用大型封装。它们在-40 ~ 125℃范围内的稳定性仅为±50 ppm。此外,石英时钟器件还有所谓的频率扰动等其他异常状况,使它们在安全关键应用中不太可靠。

  时钟器件尺寸不断缩小

  最后,时钟器件所需占用的空间越小越好。也就是说,您可以根据自己的优先级进行选择。对于极致的小型封装需求,MEMS可提供2.0 mm x 1.6 mm的DFN封装。如果引线检测对于低成本制造至关重要,那么可以选择SOT23-5封装。

  MEMS时钟器件还无需负载电容,单个驱动器可以驱动多个负载。这两种特性都与石英形成了鲜明对比。而且,石英时钟器件从自身特性来说必须使用更大的封装。

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  图3:针对不同汽车应用的特性

  汽车设计开始转向MEMS

  汽车应用是可以想象的要求最严苛的应用之一。它们通常在极其恶劣的条件下运行,必须保持内部和外部的可靠通信,并且必须能够收集、处理和分发大量的传感器数据,以便高效和安全地运行。

  控制所有这些相互交织的系统的时钟器件必须稳健可靠。它必须提供高性能,同时尽可能小的占位面积。这些都是MEMS时钟器件的优势。人们对自动驾驶,以及更安全地从A点到B点的渴求,推动了时钟器件从石英向MEMS的过渡。