现在汽车电子产品的发展比以往任何时候都快，特别是在各制造商都在将功能丰富的信息娱乐系统和高级驾驶辅助系统(ADAS)导入到产品线，并同时开发全自动驾驶汽车的时候。先进的半导体技术有助于这些新型汽车系统的快速开发和部署，半导体制造商也将越来越多汽车级产品推向市场，包括更高带宽的处理器、GPU、高速PCI-Express交换机和以太网交换机SoC/PHY以及FPGA。采用最新一代的汽车级IC平台和连接解决方案，可在系统能力、功能、性能和成本方面带来显著的效益改善，但设计的复杂性也为系统设计人员带来了新的挑战。
这些挑战之一就是满足处理器、FPGA、交换机SoC、以太网PHY、USB PHY和PCI-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，进而满足汽车网络网关、信息娱乐系统、数字驾驶舱、ADAS、激光雷达和自动驾驶控制单元的需要。在这些不断发展的新应用中，精密参考时钟所需的数量正在稳定增加，需要对不同时钟同时提供单端和差分时钟格式，以及低至300fs的RMS相位抖动要求。
过去，汽车系统设计使用较低带宽的处理器和微控制器，每块电路板设计只需要一到两个单端参考时钟频率。满足这些时序要求很简单，因为它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所使用参考时钟的数量增加，满足时序要求最简单的方法是添加更多的石英晶体或振荡器，然而，调整石英元件数量的方法有许多缺点和局限性。除了会增加电路板空间和成本外，石英晶体和振荡器先天上容易遭受冲击和振动故障，有很高的时间故障(FIT)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，以及长期可靠性风险。
多年来，通信、运算、工业和消费类市场一直使用集成式硅基时钟发生器解决方案，而非石英晶体和振荡器，来满足对精确参考时钟时序的要求。为确保系统正常工作并将误码率降至最低，高精准度、低抖动的参考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，对参考时钟的抖动要求也越来越难以满足。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，它们要求差分时钟的相位抖动低于500fs RMS。时钟发生器可以将多达八个石英晶体或振荡器的功能集成到一个IC中，并能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，而有助于系统简化参考时钟的设计。
通过整理系统设计所需的参考时钟组合，可以简化选择和确定最佳时序解决方案。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时钟、端点所需的输出时钟频率、时钟输出电平格式，以及每个参考时钟的最大抖动性能水平——其通常由每个端点器件制造商指定(表1)。
表1：时钟树指标。
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，经过AEC-Q100认证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。通过将参考时钟集成到时钟发生器IC中，系统设计人员可以减少故障点，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(图1)。与传统的石英器件相比，额外的优点包括减少电路板空间面积以及降低解决方案的总成本。
图1：时钟树实现——传统的多器件方法 vs 最新的优化解决方案。
除了可在同一器件上产生分数和整数相关输出频率以外，最新一代符合AEC-Q100标准的时钟发生器还配备了完整的全新功能，而能够帮助简化汽车电子时序设计——所有这些都是传统石英晶体或振荡器解决方案所无法具备的。
在导入ISO 26262和ASIL的要求之下，安全性一直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。要在时序设计方面达到系统安全水平的目标，系统设计人员所使用的时钟发生器应具备冗余的主要和备用参考输入、健康状态监测功能，以及可直接与系统安全管理IC通信的故障检测指示器。
过去，汽车电子系统设计者一直不愿意采用时钟发生器，因为潜在的电磁辐射问题可能无法符合CISPR25 Class4或Class5的限制要求。扩频已经成为减少电磁辐射的一种通用做法，但是能够容许参考时钟扩频的频率和端点数量有限。最近由Silicon Labs完成的研究和CISPR25测试显示，使用互补式LVCMOS输出驱动器生成单端时钟，结合新的布局指南和实践，可大幅减少时钟的电磁波辐射，并且在CISPR25 Class4和Class5的测试上展现出优异的效果。
最新一代符合AEC-Q100标准的时钟发生器也可以实现完全编程，使系统设计人员能够在几分钟之内完全根据一组特定的时钟树要求完全定制出一套解决方案，而无需苦等定制器件的开发。如果在产品开发过程中需要更改，则可以通过简易的软件或使用I2C端口直接在系统内轻松地进行更改。
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SoC/PHY。这些更高带宽新平台的采用，增加了设计的复杂性，同时也增加了对高精度、低抖动、单端和差分参考时钟的需求。汽车级AEC-Q100时钟发生器的推出，为系统设计人员提供集成式高性能解决方案，能够将整个时钟树集成到单个IC电路中，与传统的石英晶体和振荡器解决方案相比，可提高可靠性和降低系统成本。
Kyle Beckmeyer是Silicon Labs时序产品高级市场经理。Beckmeyer负责管理数据中心和汽车市场的产品战略、新产品引进和业务开发。Kyle拥有超过15年的定时产品经验，拥有加州大学戴维斯分校的电气工程理学士学位和圣克拉拉大学的商业管理硕士学位。
（原文链接：Simplifying Clock Tree Design in Automotive Electronics，由赵明灿编译）
本文为《电子技术设计》2020年11月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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