工程设计总是在（zài）于利弊的权衡，但自（zì）动驾驶（shǐ）汽车提出（chū）的严苛要求，正在将其（qí）推向极限。

- 自动驾驶车辆将生（shēng）成海量（liàng）的数据，源自各种（zhǒng）形式的视觉传感器，以（yǐ）及探测（cè）温度、压力和（hé）其（qí）它关键参数的环境传感（gǎn）器。

- 通信是不变的（de）需（xū）求（qiú），车辆（liàng）内部使用汽车（chē）以太网（wǎng），外部通信未来将会（huì）采用5G技（jì）术与世（shì）界连接。

- 它们（men）在持续振动和冲击的严（yán）苛环（huán）境中运行。面对（duì）外（wài）部天气和内部（bù）引擎高温（wēn）的双（shuāng）重影响，温度环（huán）境可能很（hěn）极端。并且，由于车（chē）辆外部快速（sù）的天气变化，以及（jí）车辆内（nèi）部引擎（qíng）释放的热量，温（wēn）度的变化会（huì）很快。此（cǐ）外，由于下雨或在潮湿的路面上行驶，水分可能随时存在。

- 汽（qì）车在发（fā）生危险（xiǎn）时会危及乘员生命（mìng），因此汽车的各个部件应该始终能够正常运行，如（rú）果出现问题，它必须能够在（zài）进入安全状态时表现（xiàn）良好。

- 汽（qì）车是（shì）一种消（xiāo）费（fèi）品，制造商在（zài）要求汽车电子器件具（jù）有高性能（néng）的同时，也非常注重成本。芯片（piàn）占（zhàn）位面积必须尽可（kě）能小，以节省空间，而且（qiě）芯片必须以（yǐ）高良率制造，以保持合（hé）理的成本（běn）。

在所有（yǒu）这（zhè）些（xiē）要求中有一个共（gòng）同的因素（sù）贯穿始（shǐ）终，而这也是我们通常认为理所当然的，那就是：时间（jiān）。为了使一切都能同步运行，即使某些（xiē）部（bù）件出现问题，这（zhè）些时钟信号（hào）也（yě）必须正常运行（háng）。时钟现（xiàn）在比（bǐ）以往（wǎng）任何时候都更加（jiā）关键，因此对（duì）时钟源提出了极高的要求。

石英已经成（chéng）为时（shí）钟器件的过去时态，现在（zài）和将来，MEMS时钟器（qì）件提供的独一（yī）无二的稳（wěn）定（dìng）性（xìng）和可靠性，足以（yǐ）满足自动驾驶（shǐ）需求。

应对严苛环境

我们的智能手机可（kě）能（néng）已经很复杂（zá）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（fàng）在口袋（dài）或小包（bāo）里随身（shēn）携带，如果（guǒ）不小（xiǎo）心摔地（dì）上遭受严重的震动，手机有可能就无（wú）法工（gōng）作了。

汽车可（kě）就（jiù）没那么幸（xìng）福了。外部行驶糟（zāo）糕的道（dào）路，各种减速（sù）带，以及与其他车（chē）辆或障碍物的意（yì）外碰撞，有可（kě）能（néng）会（huì）损伤（shāng）车辆（liàng）内部（bù）设备，而这些内部构件都需要继续运行（háng）。如（rú）上所述，车辆（liàng）内部的（de）温度（dù）和温度（dù）变（biàn）化可能也很（hěn）极端。此外，电磁干扰（EMI）如果处（chù）理（lǐ）不当，也可能会影响通（tōng）信（xìn）的可靠性。

如果在这些恶劣条件下出（chū）现任（rèn）何故障，那么车（chē）辆必须进入一种安全状态。但是，如（rú）果协调这一切的（de）时钟器件因环境压力而（ér）失效，安全状态就（jiù）无从谈起了。这是MEMS时钟（zhōng）器（qì）件的（de）一个（gè）重（chóng）要优（yōu）势：MEMS时钟器件比石英器（qì）件更加稳健（jiàn）（图1）。例如（rú），某些MEMS器件可提供0.1 ppb/g的稳（wěn）定性（与石英的（de）0.5 ppb/g相（xiàng）比）。它（tā）们可以应对50 kg的冲（chōng）击（jī）和70 g的（de）振动。它们的运行温度在-55 ~ 125°C（比石英器件的范围更广）。而（ér）且，凭借可编程边缘（yuán）速率（±0.25 ~ 40 ns）和高达（dá）4%（±0.25%）的扩频能力（石英不具备的（de）功能），MEMS时钟（zhōng）器件（jiàn）可将EMI降低（dī）11%。

portant;" />

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（cì）丢失信（xìn）号，而（ér）MEMS表（biǎo）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（de）可靠性。事（shì）实上（shàng），使用相同的示例，它们从未出现过一次失效故障。系统（tǒng）寿命期间测量统计的每百万（wàn）缺陷数（DPPM）已降（jiàng）至1.6以下，平均（jun1）故障间隔时间（MTBF）超过10亿小（xiǎo）时（即114000年（nián））。而（ér）石英器件的每百万缺陷数约为（wéi）200 ~ 500，平均故障间隔时（shí）间不（bú）到5000万小（xiǎo）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（tí），而这些一（yī）直是石英器件需要（yào）面对的挑战。与仅满足AIC-Q200要求（qiú）的石（shí）英相比，MEMS时钟器（qì）件（jiàn）还能够满足AEC-Q100测（cè）试要（yào）求。

车辆（liàng）内外通（tōng）信

据（jù）麦姆斯咨询介绍，汽车（chē）行业（yè）已经采用以太网的形式来（lái）处理车（chē）辆内部（bù）通信。这（zhè）包括各（gè）个域内以及之间的功能通信（xìn），例如传动系统、底盘和中心堆栈等。数据速（sù）率（lǜ）可（kě）以达到10、40和/或100 Gbps。就我们熟知的（de）家（jiā）庭和办公室（shì）网络中的以太网，汽车以太网解决（jué）了“正常”以太网带来的几个问（wèn）题（tí）。

- 具有较低的射频（RF）噪（zào）声，减少（shǎo）信（xìn）号之间的干扰。

- 它为请求（qiú）和发送（sòng）紧（jǐn）急传感器和其他（tā）数据（jù）提供微秒（miǎo）延迟。

- 带（dài）宽可以分配给具有特定延迟要求的特定数据流（liú）。

- 可以在组件之间同步时钟，以实现同时数据（jù）采样等功（gōng）能。

与此同时，5G将承担车（chē）辆与外（wài）部（bù）世（shì）界的通（tōng）信，例如与其他车辆、本地基础（chǔ）设施和手（shǒu）机信号塔等（děng）。这（zhè）种所谓的（de）“车联网”系统对5G时钟提出了非常（cháng）高的要求：网络端10 ns的延迟，频率进入两位数（shù）千兆赫范围。

portant;" />

图2：汽车电子需要通（tōng）过汽车以太网进行内部（bù）通信，并通过5G进行外部通信

这些通信（xìn）将（jiāng）涵盖非常关（guān）键（jiàn）的应用，如车辆间（jiān）的对话；以及（jí）便利（lì）性应用，如流媒体音乐（无论（lùn）实时与否）。所有这些（xiē）都必须（xū）可靠地运（yùn）行，以（yǐ）确保安全舒（shū）适的乘坐体验。MEMS时钟（zhōng）器件能够提供确保内部和外部网络（luò）运行所需的频率和抖（dǒu）动性能（néng），如频率高于（yú）700 MHz，稳定性（xìng）为±0.1 ppm（-40 ~ 105℃）或±20 ppm（-55 ~ 125℃）。

相比之下，石（shí）英时钟（zhōng）器（qì）件的的（de）频率选择（zé）较少，且全（quán）部采用（yòng）大（dà）型（xíng）封装（zhuāng）。它（tā）们（men）在-40 ~ 125℃范围内的稳定性（xìng）仅为（wéi）±50 ppm。此外，石英（yīng）时钟（zhōng）器件还有所谓（wèi）的频率扰（rǎo）动等其他异常状况，使（shǐ）它们在（zài）安全（quán）关键（jiàn）应用中不太可靠。

时钟器（qì）件尺寸不断缩小

最后，时钟器件所（suǒ）需占用的空间越小越好。也就（jiù）是说（shuō），您可以根据自己（jǐ）的优先级进行选择（zé）。对（duì）于极致（zhì）的小型封装需求，MEMS可（kě）提供2.0 mm x 1.6 mm的DFN封装。如（rú）果引线（xiàn）检测对（duì）于低成本制造至关重要，那么可以（yǐ）选择SOT23-5封装。

MEMS时钟器件还无需负载电容，单个驱动（dòng）器可以驱动多（duō）个负载（zǎi）。这两种特性都与（yǔ）石英（yīng）形成（chéng）了鲜明对比（bǐ）。而（ér）且（qiě），石英时（shí）钟器（qì）件从自身特性（xìng）来说必须使用更大的封装。

portant;" />

图3：针对不同（tóng）汽（qì）车（chē）应用的特性

汽车设计开始转向MEMS

汽（qì）车应用是（shì）可以想象（xiàng）的（de）要求最严苛的应用之（zhī）一。它（tā）们通常在极其恶劣的条（tiáo）件下运行，必须保（bǎo）持内部（bù）和（hé）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（shù）据，以便高效和安（ān）全（quán）地运行。

控制（zhì）所（suǒ）有这些相互交织的（de）系统的时钟器件必须稳（wěn）健可靠。它必须提供高性能，同时尽可能小（xiǎo）的占位面积。这些都是MEMS时钟器件的优势。人们对（duì）自动（dòng）驾驶，以及更安全地从A点到B点的（de）渴（kě）求，推（tuī）动了时钟器件从石英向MEMS的（de）过（guò）渡。