工程设计总是在于（yú）利弊的权衡，但自动驾驶汽车提出的（de）严苛要求，正（zhèng）在将其推向（xiàng）极限（xiàn）。

- 自动驾驶车辆将生成海量的数据，源自各种形式（shì）的视觉传感器，以（yǐ）及探测温度、压力和其（qí）它关（guān）键参数的（de）环境（jìng）传感器。

- 通信是不变的需求（qiú），车（chē）辆内（nèi）部使（shǐ）用汽（qì）车以太网，外部（bù）通信未来将会采用（yòng）5G技术与世界连接。

- 它们在持续振动和冲击的严苛（kē）环境中运（yùn）行（háng）。面对外部天气（qì）和内部（bù）引擎高温（wēn）的（de）双重影响（xiǎng），温度环境可能很极端。并且，由于（yú）车（chē）辆外部快速的（de）天气（qì）变化，以及车辆内部引擎释放的热（rè）量，温度（dù）的变化（huà）会很（hěn）快。此外（wài），由于下雨或在（zài）潮湿的路面上行驶，水分可能随时存在。

- 汽车在发生危（wēi）险时会危（wēi）及乘（chéng）员生命（mìng），因此汽车的各个部件应该（gāi）始终能够正常运行，如果（guǒ）出现问题（tí），它（tā）必须（xū）能够在进入安全状态时表现（xiàn）良好。

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

在所有这（zhè）些要求（qiú）中有一个共同的因素贯（guàn）穿始（shǐ）终，而这也是我们通（tōng）常认为理所当然的，那就是：时间。为了（le）使一切都（dōu）能同步（bù）运行，即使某些部件（jiàn）出现（xiàn）问题，这些（xiē）时钟（zhōng）信号也必须正常运行。时钟现在（zài）比以往任何（hé）时候都更（gèng）加关键（jiàn），因此对时钟（zhōng）源提出了极高的要求。

石英已经成（chéng）为时钟器件（jiàn）的过（guò）去（qù）时态，现在和（hé）将来，MEMS时（shí）钟器件（jiàn）提供的独一无二的（de）稳定性和可靠性，足以（yǐ）满足自动驾（jià）驶（shǐ）需求。

应对严苛环境（jìng）

我们的智（zhì）能手机可（kě）能（néng）已经（jīng）很复杂了，但与（yǔ）自动（dòng）驾（jià）驶汽车相比，不（bú）值一提。智能手机通常（cháng）会被我们放（fàng）在口（kǒu）袋或小包里随（suí）身（shēn）携带（dài），如果不小（xiǎo）心摔地上遭受严重的（de）震动，手（shǒu）机有可能就无（wú）法工作了。

汽车（chē）可就（jiù）没那（nà）么（me）幸福了。外部行（háng）驶糟糕的（de）道路，各种减速带，以及与（yǔ）其（qí）他（tā）车辆或障碍物的意外碰撞，有（yǒu）可能会损伤车辆内（nèi）部设备，而（ér）这些内部构（gòu）件（jiàn）都（dōu）需要继续运行（háng）。如上所述（shù），车辆内部的温度和温度（dù）变化可能也很极端（duān）。此外，电磁干扰（rǎo）（EMI）如果处理不当，也可能会影响通（tōng）信的可（kě）靠性。

如果（guǒ）在这些恶劣条件（jiàn）下（xià）出（chū）现任何（hé）故（gù）障，那么车（chē）辆必须（xū）进入一种安全（quán）状态。但是，如果协（xié）调这一切的时钟器件因环境压力而失效，安全状（zhuàng）态就无从（cóng）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（tú）1）。例如，某些（xiē）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（tā）们可以（yǐ）应对50 kg的冲击和（hé）70 g的振动。它们的运行温度（dù）在-55 ~ 125°C（比（bǐ）石英器件的范围更广）。而且，凭借（jiè）可编程边缘（yuán）速（sù）率（±0.25 ~ 40 ns）和高达（dá）4%（±0.25%）的扩（kuò）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（shí）钟器（qì）件（jiàn）在（zài）热气流和振动下的卫星跟踪对比，石英多（duō）次丢失信（xìn）号，而MEMS表（biǎo）现非常稳定

随着时间的推移，时钟仍必须保（bǎo）持可靠。MEMS时钟器（qì）件已经证明了其超高的（de）可靠（kào）性（xìng）。事实上，使用相同的示（shì）例，它们（men）从未出现过一（yī）次（cì）失效故（gù）障。系统寿命期间（jiān）测量统计的每百万缺陷数（DPPM）已降至（zhì）1.6以（yǐ）下，平均故障间（jiān）隔时间（MTBF）超过10亿小（xiǎo）时（shí）（即114000年）。而（ér）石英器件的每（měi）百万（wàn）缺陷数（shù）约为（wéi）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（wèn）题，而这些（xiē）一直是石（shí）英器件需要面对的挑（tiāo）战（zhàn）。与仅（jǐn）满足AIC-Q200要求的石英相比（bǐ），MEMS时钟器件还能（néng）够满（mǎn）足AEC-Q100测试要（yào）求。

车辆内外通（tōng）信

据麦姆（mǔ）斯咨（zī）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（xìn）。这包括各个域内以及之（zhī）间的功能通信（xìn），例如传动系（xì）统、底盘和（hé）中心堆（duī）栈（zhàn）等。数据速率可（kě）以达到10、40和/或100 Gbps。就我（wǒ）们熟（shú）知（zhī）的家（jiā）庭和办公室网络中（zhōng）的以太网，汽车以太网解决了“正常”以太网（wǎng）带（dài）来的几个问（wèn）题。

- 具有较（jiào）低的射频（RF）噪（zào）声，减（jiǎn）少信号之间的干扰。

- 它为请（qǐng）求和发送紧急传感器和其（qí）他数据提（tí）供微秒延迟。

- 带宽可（kě）以分配给具有特定（dìng）延迟要（yào）求的特定数据流（liú）。

- 可以在组件之间（jiān）同步时（shí）钟，以实现同时数据采样等功能。

与此同时，5G将承担车辆与（yǔ）外部世界的通信，例如与其他车辆、本地（dì）基础设施和（hé）手机信号塔等（děng）。这种所谓的“车联网（wǎng）”系统（tǒng）对5G时钟提（tí）出了非常高的要求（qiú）：网络端10 ns的延迟，频率进入两位数（shù）千兆赫范围。

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图（tú）2：汽车电子需要通过汽（qì）车（chē）以（yǐ）太网（wǎng）进（jìn）行内部通信，并通（tōng）过5G进行外部通信

这（zhè）些通信将涵盖非（fēi）常关键的应用，如车（chē）辆间的对话；以及便利性应用，如流媒体音乐（无论（lùn）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（wǎng）络运行所需的（de）频率和抖动性能，如频率（lǜ）高于700 MHz，稳定性（xìng）为±0.1 ppm（-40 ~ 105℃）或±20 ppm（-55 ~ 125℃）。

相（xiàng）比之下，石（shí）英时钟器件的的频率选择较少，且全部采（cǎi）用大型封（fēng）装。它（tā）们在-40 ~ 125℃范围内的稳定性仅为±50 ppm。此外，石英（yīng）时钟器（qì）件还有所谓的频率扰动等其他异常状况，使它们在安全（quán）关键应用中不太可靠（kào）。

时钟器件尺（chǐ）寸不断缩小

最（zuì）后，时钟（zhōng）器（qì）件（jiàn）所需（xū）占用的空间越小越好（hǎo）。也就是说，您（nín）可以根据自己（jǐ）的优先级进行（háng）选（xuǎn）择。对于（yú）极致的小（xiǎo）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（duì）于低成（chéng）本制造至关重要（yào），那么可（kě）以选择SOT23-5封装。

MEMS时钟器件还无（wú）需负载电（diàn）容，单（dān）个驱动器可以驱动多个负（fù）载。这两（liǎng）种特（tè）性都与石英形（xíng）成了（le）鲜明对比。而（ér）且，石英（yīng）时钟器件从自身特性来说必须使用更大（dà）的（de）封（fēng）装。

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图3：针对不同汽（qì）车应（yīng）用的特性（xìng）

汽车设计开始转向MEMS

汽（qì）车应用是可（kě）以想象（xiàng）的要求最（zuì）严苛的（de）应用之一。它们通常在极其恶劣的条件下运行，必须保（bǎo）持内（nèi）部和外（wài）部的可靠通信（xìn），并且必须能够收集、处理和分发大量的传（chuán）感器数（shù）据，以便高效和安全地运行。

控制所（suǒ）有（yǒu）这些相互交织（zhī）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（jìn）可能小的占位面积。这些都是MEMS时钟器（qì）件的优势。人们对自动驾驶，以及更安全地从A点（diǎn）到B点的渴求，推动（dòng）了时钟器件从石英向MEMS的过渡。