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汽车级MEMS振荡器或将带来革命性技术突破

(文章滥觞:EEWORLD)

新技巧取代成熟技巧平日能够带来功能上的冲破。在以前的50多年里,半导体行业不停都在追求更小的尺寸、更快的速率以及更便宜的价格(和/或更高的机能以及靠得住性等)。而现如今,汽车利用中的数字电路则对时序要求异常高,比拟以前对付微机电系统(MEMS)振荡器出现出极大年夜的需求。

现如今,汽车平日都邑搭载高档驾驶帮助系统(ADAS)(包括车载摄像头、超声波感应、LiDAR和雷达)、信息娱乐系统以及车载收集等等,而这统统都必要依附正确的时序。只管MEMS振荡器投产并利用于汽车领域的光阴已长达十多年之久,但搭载ADAS的自动驾驶汽车必要更为强大年夜的功能,通俗的光阴同步器件显然已无法胜任。

靠得住性不停以来都是汽车制造商及其电子系统供应商所关注的焦点。石英振荡器平日采纳对石英晶体进行机器切割和打磨的要领来得到所需频率,并封装在密封的外壳中。但因为晶振的布局对照薄弱,极易受到振动影响而毁坏,是以其频率平日限定为固定频率。而且,这类器件的洁净临盆等级也不高。此外,尺寸相对较大年夜的石英器件在冲击和振动较高的前提下以致无法很好地维持机能。

比拟之下,MEMS振荡器则在集成电路(IC)制造厂中临盆,是以与其他IC一样具有异常高的洁净等级。确切地说,与传统的晶振比拟,抗振动能力前进了5倍,MEMS振荡器的靠得住性前进了20倍,抗冲击能力更是前进了500倍。

此外,MEMS振荡器还兼具小巧尺寸和稳固耐用的特点。比拟之下,晶振的尺寸是有限度的,而且尺寸越小,价格越贵。在第一批空间很有限的汽车利用中,因为晶振尺寸过大年夜,无法满意极为严格的空间限定要求,才不得已对车内的部分摄像头进行改装。是以,MEMS技巧自然而然地成为了这批汽车利用的抱负替代办理规划。此外,ADAS等许多全新汽车利用均更为青睐较小的封装,是以MEMS振荡器的尺寸成为了取代晶振的另一个驱动身分。

MEMS振荡器还有一项上风是能够在极高温度下维持其频率稳定性。比拟之下,石英器件则会跟着温度的变更出现出显着的非线性特点,是以很难维持频率稳定性。今朝可用的MEMS振荡器为1级(即,-40°C至+125°C的情况事情温度范围(根据AEC-Q100标准))。而新一代MEMS振荡器将支持更高的温度,能够满意汽车中部分区域的0级(-40°C至150°C)需求。

在汽车利用中,每每会因为振荡器安装位置的情况温度较高和/或必要将振荡器放置在印刷电路板PCB)上的特定位置而呈现温度过高的问题。而且,汽车中的连接等级越高,所需的IC功率也会越高。这些IC披发的热量会导致相近元件的局部情况温度升高。此外,为了维持系统稳定性,平日需将晶振放置在寄托它事情的IC相近,历史数据注解此类晶振支持3级。然则,这种环境正在发生变更。

信息娱乐系统中的微处置惩罚器每每会耗损大年夜量热量,只管大年夜多半汽车内部元件被指定为2级(最高105°C),但接近处置惩罚器的时钟必要支持1级(最高125°C)。因为这些功能强大年夜的处置惩罚器很轻易使晶振升温,进而导致其因温度漂移和频率偏移而越过所需的频率范围,是以MEMS振荡器堪称绝佳的替代办理规划。假如想要继承应用晶振,此中一种办理规划是将其安装在阔别处置惩罚器的位置,但这样会影响PCB上的局部结构。另一种办理规划是应用稳定性更高(-50°C至125°C)的晶振,但资源也更高——可能是原本的三倍或三倍以上。

比拟之下,MEMS振荡器因配备有源温度补偿电路而显得更为出色。该电路可以经由过程温度检测与调节功能实时校对温度变更(每秒多达30次),从而维持恒定的输出频率。这为高温利用带来了异常正确(偏差低至±20 ppm)的温度稳定性,并且与高稳定性晶振比拟资源更低。跟着图形GPU)和谋略(CPU)IC及其相关电源治理IC的机能和处置惩罚能力赓续前进,现有晶振势必将因相关方面的局限性而面临越来越多的寻衅。

FFS谐振梁下方的电极形成了静电换能器。当谐振梁和电极处于不合电压下时,它们之间会孕育发生一个力。换能器间隙的感化相称于时变电容,偏置时以谐振频率孕育发生输出电流。为了实现高品德因数,MEMS谐振器将经由过程封盖和密封工艺(采纳熔接技巧)密封在真空情况中。由此实现的晶圆级封装可广泛用于各类注塑IC封装。MEMS器件经由过程接合线连接到ASIC芯片。

在ASIC中,片上可一次性编程(OTP)存储器和纵横开关实现了产品机动性。设置输出频率的PLL和分频器值以及温度校准设置、输出协议选择、上升/下降光阴节制、使能引脚上拉/下拉值等均存储在该存储器中。

实际上,MEMS ASIC中可以添加许多功能。例如可以添加多个输出,这样有助于削减所需空间以及实现石英晶振上无法添加的功能。或者也可以添加扩频功能,从而削减或避免电磁滋扰(EMI)问题。EMI也可能受时钟输出的上升和下降光暗影响。我们当时使用了MEMS振荡器中ASIC的可编程性来变动时钟的上升和下降光阴,异常及时地办理了这一问题并终极完成了设计。

对付任何设计变化而言,设计支持至关紧张。使用Microchip的在线ClockWorks®设置设置设备摆设摆设器对象,设计职员可根据频率、封装尺寸和温度范围轻松选择和定制得当其利用的MEMS振荡器,而且还可订购免费样片。此外,应用Clockworks设置设置设备摆设摆设器以致还可以自定义DSA2311双输出时钟发生器的两个输出频率。

虽然客户应用设置设置设备摆设摆设器必要2至5天才能收到样片,但收到样片后,设计职员可以应用TimeFlash 2现场编程对象包,几秒钟即可将空缺的现场可编程振荡器编程为自定义频率并履行设计验证。将对象包插入PC的USB端口即可在用户电脑桌面长进行闪存编程。该对象包还能够丈量标准振荡器的频率精度和功耗,以及丈量电流和稳定性。

在以前的20年里,靠得住性已徐徐成为汽车制造商倍加关注的焦点。在PCB上,IC的靠得住性最高。但包括晶振在内的其他元件均尚未达到这一基准水平。比拟之下,MEMS振荡器已将振荡器的靠得住性提升至IC水平,这对汽车客户来说大年夜有裨益。自动驾驶等利用平日必要达到最高档其余靠得住性,是以MEMS振荡器办理规划成为了汽车供应商的最佳选择。假如您仍在踌躇是否要应用MEMS振荡器来取代晶振,不妨再看看MEMS振荡器所具备的诸多上风:更高的频率稳定性、节省空间、支持更高的温度以及出色的抗冲击和振动能力等等。今朝,已有越来越多的汽车制造商因珍视这些上风而转为采纳全新的MEMS振荡器技巧。

(责任编辑:fqj)

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