工程（chéng）设计总是在于利弊的权衡（héng），但（dàn）自动（dòng）驾驶汽车（chē）提出的严苛要求，正（zhèng）在将其（qí）推向极限（xiàn）。

- 自（zì）动驾（jià）驶车辆将生成海（hǎi）量的数据，源自各种形（xíng）式的视觉传感器，以（yǐ）及探测（cè）温（wēn）度、压力和其它关键参数的（de）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（jiāng）会采用5G技术与世界连接。

- 它们在持续（xù）振动和冲击（jī）的（de）严苛环境中运行。面对（duì）外部（bù）天气和内部（bù）引（yǐn）擎高温的双重影（yǐng）响，温（wēn）度环境可能很极端（duān）。并且（qiě），由于车辆外部快（kuài）速的天（tiān）气变化，以及车辆内部引（yǐn）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（de）路面上（shàng）行驶（shǐ），水分（fèn）可能随时存在。

- 汽车在发生危险（xiǎn）时会危及乘（chéng）员生（shēng）命，因此汽车的（de）各个部（bù）件应该始终能够正常运行，如果出现问题，它必须能（néng）够（gòu）在进入安全（quán）状态时表现良好（hǎo）。

- 汽车是一种（zhǒng）消费品，制造商在要求汽车（chē）电子器件具有高性能的同时，也非常注重成本（běn）。芯片占位（wèi）面积必须尽可能小，以节省（shěng）空间，而且（qiě）芯片必须以高良率制（zhì）造，以保持（chí）合理的（de）成本。

在（zài）所（suǒ）有（yǒu）这些（xiē）要求（qiú）中（zhōng）有一个共同的（de）因素贯穿始终（zhōng），而这也是我们通常认（rèn）为理所当然的，那就是（shì）：时间。为了使一切（qiē）都（dōu）能同步运行，即使某些（xiē）部件出（chū）现问题，这些时钟信号（hào）也必须正常运行。时钟现（xiàn）在比以往任何时（shí）候都更加关键，因（yīn）此对时钟（zhōng）源提出了极高的要（yào）求。

石英已经（jīng）成为时（shí）钟器件的过去时态（tài），现在和将来，MEMS时（shí）钟器件（jiàn）提供（gòng）的独一（yī）无二的稳定（dìng）性（xìng）和可靠性，足（zú）以满足自动驾驶需求。

应对严苛（kē）环境

我们的智能手机可能已（yǐ）经很复杂了，但与自（zì）动驾驶（shǐ）汽车（chē）相比，不值一提。智能手机通（tōng）常会被（bèi）我们放在（zài）口袋或小包里（lǐ）随身（shēn）携带，如果不小（xiǎo）心摔地上遭受严重（chóng）的震动，手（shǒu）机有可能就无法工作了。

汽车可就（jiù）没那么幸（xìng）福了。外部行驶糟糕（gāo）的道路，各种减速（sù）带，以及与其（qí）他（tā）车辆或障碍物的意（yì）外碰撞，有可能会损（sǔn）伤车辆（liàng）内部设（shè）备，而这些内部构（gòu）件都需要（yào）继续运行。如上（shàng）所述，车（chē）辆内（nèi）部的温度和温度变化可（kě）能也很极端。此（cǐ）外，电磁干扰（EMI）如果处理不当，也可能（néng）会影响通信的可靠性。

如果在这些恶（è）劣条（tiáo）件下出现任何故障，那（nà）么车（chē）辆（liàng）必须（xū）进入一种安全状态。但是，如（rú）果协调这一切（qiē）的时钟器件（jiàn）因环境（jìng）压力而失效，安全（quán）状态就无从（cóng）谈起了（le）。这是MEMS时（shí）钟器（qì）件的一个重要（yào）优势：MEMS时钟器件比石英器（qì）件更加稳（wěn）健（jiàn）（图1）。例如，某些MEMS器件可提供0.1 ppb/g的稳定性（与石英的（de）0.5 ppb/g相（xiàng）比（bǐ））。它们可以应对50 kg的冲击和70 g的（de）振动。它们（men）的（de）运行温度在-55 ~ 125°C（比石（shí）英器件的范围更广（guǎng））。而（ér）且，凭借可编程（chéng）边缘速率（±0.25 ~ 40 ns）和高（gāo）达4%（±0.25%）的（de）扩频能力（石英不具备的功能），MEMS时（shí）钟器件（jiàn）可将（jiāng）EMI降（jiàng）低11%。

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图1：MEMS与石英时（shí）钟器件在热气流（liú）和振（zhèn）动下的卫星（xīng）跟踪对比（bǐ），石（shí）英（yīng）多次丢失信号，而（ér）MEMS表现非常（cháng）稳定

随着时间（jiān）的推（tuī）移，时钟仍（réng）必须（xū）保持可（kě）靠。MEMS时（shí）钟器件（jiàn）已经证明了其（qí）超高的可靠性。事实（shí）上，使用相同的示（shì）例（lì），它们从未出现过一次失效故障。系统寿命期（qī）间测量统计的每百万缺陷（xiàn）数（DPPM）已（yǐ）降（jiàng）至1.6以下，平均故障间隔时间（MTBF）超过10亿（yì）小时（即114000年）。而石英器件的每（měi）百万缺（quē）陷数约为（wéi）200 ~ 500，平均故障间隔时间不（bú）到5000万小时。此外，MEMS没有频率扰动（activity dips）或（huò）微跳变问题，也没有冷启动（dòng）的问题，而这些一直是石英（yīng）器（qì）件需（xū）要（yào）面对的挑战（zhàn）。与仅满足AIC-Q200要求的石（shí）英（yīng）相比，MEMS时钟器件还能够满足AEC-Q100测试要求。

车辆内外（wài）通信

据麦姆斯咨询介绍，汽车（chē）行业（yè）已经（jīng）采用以太网的形式来处理（lǐ）车辆内部通信。这包（bāo）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（xīn）堆栈等。数据速率可以达到10、40和/或100 Gbps。就我（wǒ）们熟知的家（jiā）庭和办公室（shì）网络（luò）中的以太网，汽（qì）车以太网解决了“正（zhèng）常”以太（tài）网带来（lái）的几（jǐ）个问题。

- 具（jù）有较（jiào）低的射频（RF）噪（zào）声，减少信号之间的干扰。

- 它为请求和发送紧急传感器（qì）和其他数（shù）据提供微秒延迟。

- 带宽可以分配给（gěi）具有（yǒu）特定延迟要求的特定数据流。

- 可以在组件之间同步（bù）时钟，以（yǐ）实现同时数据（jù）采样（yàng）等功能。

与（yǔ）此同时，5G将承担车辆（liàng）与外（wài）部世界（jiè）的通信，例如与其他车辆、本地基础设施和手机信（xìn）号塔等。这（zhè）种所谓的“车联（lián）网”系统对（duì）5G时钟提（tí）出了（le）非常高的要求：网络端（duān）10 ns的延迟，频率（lǜ）进（jìn）入两（liǎng）位（wèi）数千兆赫（hè）范围。

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图2：汽车电（diàn）子需（xū）要通（tōng）过汽（qì）车以太网（wǎng）进（jìn）行内部通（tōng）信，并（bìng）通过（guò）5G进行（háng）外部（bù）通信

这些通信将（jiāng）涵盖（gài）非常关键的应（yīng）用，如（rú）车辆间的对话；以及便利性（xìng）应用，如（rú）流媒体音乐（无论实时与否）。所有这些（xiē）都必须可靠地运行，以确保安全舒适的（de）乘坐体验。MEMS时钟器件能够提供确保内部和外部网（wǎng）络运行所需的频（pín）率和抖动性（xìng）能（néng），如（rú）频率高于700 MHz，稳定（dìng）性为±0.1 ppm（-40 ~ 105℃）或（huò）±20 ppm（-55 ~ 125℃）。

相比之（zhī）下（xià），石英（yīng）时钟器（qì）件的（de）的频率选择（zé）较少，且全部采（cǎi）用（yòng）大型封装。它们在-40 ~ 125℃范（fàn）围内的（de）稳定（dìng）性仅为±50 ppm。此外，石英（yīng）时钟器件还有所谓的频率扰动等其他异常状（zhuàng）况，使它们在安全关键应用中不太可靠。

时钟器件尺（chǐ）寸不断缩小

最后，时钟（zhōng）器件所需占用的空间越小越好。也就是（shì）说（shuō），您可以根据自己（jǐ）的优先级进行选择。对于极致的小型（xíng）封装需求，MEMS可提供2.0 mm x 1.6 mm的DFN封装。如果（guǒ）引线检测对（duì）于低成本制造至关重（chóng）要，那么（me）可以选择SOT23-5封装。

MEMS时钟器（qì）件还无需（xū）负载电容，单（dān）个驱动器可以驱动多个负载。这两（liǎng）种特性都与（yǔ）石英形成了鲜明对比。而且，石（shí）英时钟（zhōng）器件从自身特（tè）性来说必须使用更大的封装。

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图3：针对不（bú）同汽车应用的特性

汽车设计开始转向（xiàng）MEMS

汽车应用是（shì）可以（yǐ）想象的要求最严苛（kē）的应用之一（yī）。它们通（tōng）常在（zài）极其（qí）恶劣的条件下（xià）运行，必须保持（chí）内部和外部（bù）的可靠通信，并且必（bì）须能（néng）够收集、处理（lǐ）和分发大量的（de）传感器数据，以便高效和安全地运（yùn）行。

控制所有这些（xiē）相互（hù）交织的系（xì）统的时钟器件（jiàn）必须稳（wěn）健可靠。它必须提（tí）供高性能，同（tóng）时（shí）尽可能（néng）小的占位（wèi）面积。这些都是MEMS时钟器（qì）件的（de）优势。人们对自动驾驶，以及更安全地从A点到B点的渴（kě）求（qiú），推动了时钟（zhōng）器件从石英向（xiàng）MEMS的过渡。