工（gōng）程（chéng）设计总（zǒng）是在于（yú）利弊的权衡，但自动（dòng）驾驶汽（qì）车提出的严苛要求，正在将（jiāng）其推向（xiàng）极限（xiàn）。

- 自（zì）动驾驶车辆将生成海量的数（shù）据，源自各种形式的视觉传感器（qì），以及（jí）探测温（wēn）度、压力和（hé）其它关键参数的环境传感器（qì）。

- 通信是不（bú）变的（de）需求，车辆内（nèi）部使用（yòng）汽（qì）车以（yǐ）太（tài）网，外部通（tōng）信（xìn）未来将会采用5G技（jì）术与世界连接（jiē）。

- 它们（men）在持续振动和冲击的严（yán）苛环（huán）境中运行。面对外部天（tiān）气（qì）和内（nèi）部引擎高（gāo）温的双（shuāng）重（chóng）影响，温度环境可能很（hěn）极端。并且，由于车辆（liàng）外部（bù）快速（sù）的天气变（biàn）化，以及（jí）车（chē）辆内部引擎释放（fàng）的热量，温度的（de）变化会很快（kuài）。此外（wài），由于下雨或在（zài）潮湿的路面上行驶，水分可（kě）能（néng）随时存在。

- 汽车在发生（shēng）危（wēi）险时会（huì）危及乘员生命，因此汽车的各个部件应该始终（zhōng）能（néng）够正常运行，如果出现问题，它必须能（néng）够在进（jìn）入安全状态（tài）时表现良好。

- 汽车是一种消费品，制造商在要求汽车电子器件具有高性能的同时（shí），也（yě）非常注重成本（běn）。芯片占（zhàn）位面积必须尽可能（néng）小，以（yǐ）节省空间（jiān），而且芯片必须以高良率制造，以保持（chí）合（hé）理（lǐ）的成本。

在所有这些要求中有一个共（gòng）同的因素（sù）贯穿始终，而这也是我们通（tōng）常认为理所当（dāng）然的，那就是：时间。为了使一切都能同步（bù）运（yùn）行，即（jí）使某（mǒu）些部件（jiàn）出现问题，这些时钟（zhōng）信号也必须正常运行（háng）。时（shí）钟现在比以往任何时候都更加关（guān）键，因此对时钟源提（tí）出了极高的要求。

石英已（yǐ）经成为时钟器（qì）件的过去（qù）时态，现（xiàn）在和（hé）将来，MEMS时钟器件提供的独一无二（èr）的稳定性和可靠性，足（zú）以满足自动驾驶需求。

应对严苛环（huán）境

我们（men）的智（zhì）能手机可能已经（jīng）很复（fù）杂了，但与自（zì）动（dòng）驾驶汽车相比，不值一提（tí）。智能手机通常会被我们放在（zài）口袋或小（xiǎo）包里随身携（xié）带，如果不小心摔地上（shàng）遭受（shòu）严重的震动，手机有（yǒu）可能就无法工作了。

汽车可（kě）就（jiù）没那么（me）幸福（fú）了（le）。外部行（háng）驶糟糕的道（dào）路，各种减速（sù）带，以及（jí）与其他车辆或障碍物的意外碰撞，有可能（néng）会（huì）损伤车（chē）辆内部设备，而这些内（nèi）部（bù）构件都需要继续运行。如上所述，车辆内部的温度（dù）和（hé）温度变化可能也很极端。此外，电（diàn）磁干扰（EMI）如果（guǒ）处理（lǐ）不（bú）当，也（yě）可能会影响通（tōng）信的（de）可靠性。

如果在这些恶劣条件下出现任何故（gù）障，那么车（chē）辆必须进入一种安（ān）全状态（tài）。但（dàn）是，如果协（xié）调这一切的时钟器（qì）件因环境压力（lì）而失（shī）效，安全状态就无从谈（tán）起了。这是MEMS时钟器件的一个重要优（yōu）势（shì）：MEMS时钟（zhōng）器件比石英器件更加稳（wěn）健（图1）。例如，某些MEMS器（qì）件可提供0.1 ppb/g的（de）稳定性（与石（shí）英（yīng）的0.5 ppb/g相比）。它们可（kě）以（yǐ）应对50 kg的（de）冲（chōng）击和70 g的振动。它们的运（yùn）行温度在-55 ~ 125°C（比石英器件（jiàn）的范围（wéi）更广（guǎng））。而且，凭借可编程边缘速率（±0.25 ~ 40 ns）和（hé）高达4%（±0.25%）的扩频能力（石英不（bú）具（jù）备（bèi）的功能），MEMS时钟器件可（kě）将EMI降低11%。

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图1：MEMS与石英时（shí）钟（zhōng）器件在热气流（liú）和（hé）振（zhèn）动下的卫星跟踪对比，石（shí）英多（duō）次丢失信号，而MEMS表现非常稳定

随着时（shí）间的推移，时钟仍必须保持可靠。MEMS时钟器（qì）件已（yǐ）经（jīng）证明了其超高的可靠（kào）性。事实上，使用相同的示例，它们从未出（chū）现（xiàn）过一次失效故障。系统寿（shòu）命期间测量统计的每（měi）百万（wàn）缺陷数（DPPM）已降至1.6以下，平均（jun1）故障间（jiān）隔时（shí）间（MTBF）超过10亿小时（即114000年（nián））。而石英器件的每百（bǎi）万缺陷数约为200 ~ 500，平均故障间隔时（shí）间不（bú）到5000万小时。此外，MEMS没有（yǒu）频率扰动（activity dips）或（huò）微跳变问题，也没（méi）有冷启动的问题，而（ér）这些一直（zhí）是石英器件（jiàn）需要面对的挑战（zhàn）。与仅满足AIC-Q200要求的（de）石英相比，MEMS时钟器件还能够满足AEC-Q100测试要求。

车辆（liàng）内外通信

据麦姆（mǔ）斯咨询（xún）介绍，汽车行业已经采用以（yǐ）太网的形（xíng）式来处理车辆内部（bù）通信。这（zhè）包括各个域（yù）内以及之间的功（gōng）能通信，例如传动（dòng）系统、底盘和（hé）中（zhōng）心堆栈等。数据（jù）速（sù）率可以达到10、40和/或（huò）100 Gbps。就（jiù）我们熟知的家庭和办公室网络中的以太（tài）网（wǎng），汽车以（yǐ）太网解决了“正常”以太网带来的几个问（wèn）题。

- 具有较低的射频（pín）（RF）噪声，减少信号之间的干扰。

- 它为（wéi）请求和发送紧（jǐn）急传感器和其他（tā）数据提供微秒（miǎo）延（yán）迟（chí）。

- 带（dài）宽可以分配给具有（yǒu）特定（dìng）延（yán）迟要求的特定数据流。

- 可（kě）以在组（zǔ）件之间同步时钟，以实现同时数据采样等功能。

与此同时，5G将承担车辆与外部世界的通（tōng）信，例（lì）如与其他车辆、本地基础设施和（hé）手机信号（hào）塔等。这种所谓的“车联网”系统对5G时钟提出了非常高的要求：网络端（duān）10 ns的延（yán）迟，频率进入两（liǎng）位数千兆赫范围。

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图2：汽（qì）车电子（zǐ）需要通过汽（qì）车以（yǐ）太网（wǎng）进行内部（bù）通信，并（bìng）通过5G进行（háng）外部（bù）通信

这（zhè）些通信将涵盖非常关键的应用，如车辆间的对话；以及便（biàn）利性应用，如流（liú）媒体（tǐ）音乐（无论实时与否）。所（suǒ）有（yǒu）这些都必须可（kě）靠地运行，以（yǐ）确保（bǎo）安全舒适的（de）乘坐体验（yàn）。MEMS时钟器件（jiàn）能够（gòu）提供（gòng）确（què）保内部和外（wài）部网络（luò）运行所需的频率（lǜ）和抖动（dòng）性能，如频率高（gāo）于700 MHz，稳定性为±0.1 ppm（-40 ~ 105℃）或±20 ppm（-55 ~ 125℃）。

相（xiàng）比之下，石英时钟器件的（de）的频率（lǜ）选（xuǎn）择较（jiào）少，且全（quán）部采用大（dà）型封装。它（tā）们（men）在-40 ~ 125℃范围（wéi）内的稳（wěn）定性仅（jǐn）为±50 ppm。此外，石英时钟器件还有所谓的频率（lǜ）扰动等（děng）其他（tā）异（yì）常状（zhuàng）况，使它们在安全关（guān）键应（yīng）用中不太可靠。

时（shí）钟器件尺寸不断缩小

最后，时钟器件所需（xū）占用的空间越（yuè）小越好。也就是说（shuō），您（nín）可以根据自己的（de）优先级（jí）进行选择。对于极致的（de）小型封装需求，MEMS可提供2.0 mm x 1.6 mm的（de）DFN封装。如果引（yǐn）线检（jiǎn）测（cè）对于低成本制造（zào）至（zhì）关重（chóng）要，那么（me）可以选择SOT23-5封装（zhuāng）。

MEMS时钟器件还无需（xū）负载电容，单个驱动器（qì）可以驱（qū）动多个负载。这两种特性都与石英形成了鲜明（míng）对比（bǐ）。而且，石（shí）英时钟器件从自身特性来说必须使用更大（dà）的（de）封装。

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图3：针对不同汽车应用的特（tè）性

汽车设计开始（shǐ）转向MEMS

汽车应用是可以想（xiǎng）象的要求（qiú）最（zuì）严苛的应用之一（yī）。它（tā）们（men）通常在（zài）极其恶劣的条件下运行，必须保持内部和外部的可靠通信，并且必须能够收集、处理和分发大量的传感器数据，以便高效和安全地运行。

控制所有这些（xiē）相互（hù）交（jiāo）织的系统的时钟器件必须稳健可靠。它必须提供高性能，同时尽可能（néng）小（xiǎo）的占（zhàn）位面积。这些都是MEMS时钟器件的优势。人们对自（zì）动驾驶（shǐ），以及更安（ān）全地从A点到B点（diǎn）的渴求，推动（dòng）了时钟器件从石英（yīng）向MEMS的过渡。