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自动驾驶汽车“生命线”需MEMS

2019-03-05 10:42
来源: 微迷网

工程设计总是在于利弊的权衡,但自动驾驶汽车提出的严苛要求,正在将其推向极限。

- 自动驾驶车辆将生成海量的数据,源自各种形式的视觉传感器,以及探测温度、压力和其它关键参数的环境传感器。

- 通信是不变的需求,车辆内部使用汽车以太网,外部通信未来将会采用5G技术与世界连接。

- 它们在持续振动和冲击的严苛环境中运行。面对外部天气和内部引擎高温的双重影响,温度环境可能很极端。并且,由于车辆外部快速的天气变化,以及车辆内部引擎释放的热量,温度的变化会很快。此外,由于下雨或在潮湿的路面上行驶,水分可能随时存在。

- 汽车在发生危险时会危及乘员生命,因此汽车的各个部件应该始终能够正常运行,如果出现问题,它必须能够在进入安全状态时表现良好。

- 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,也非常注重成本。芯片占位面积必须尽可能小,以节省空间,而且芯片必须以高良率制造,以保持合理的成本。

在所有这些要求中有一个共同的因素贯穿始终,而这也是我们通常认为理所当然的,那就是:时间。为了使一切都能同步运行,即使某些部件出现问题,这些时钟信号也必须正常运行。时钟现在比以往任何时候都更加关键,因此对时钟源提出了极高的要求。

石英已经成为时钟器件的过去时态,现在和将来,MEMS时钟器件提供的独一无二的稳定性和可靠性,足以满足自动驾驶需求。

应对严苛环境

我们的智能手机可能已经很复杂了,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在口袋或小包里随身携带,如果不小心摔地上遭受严重的震动,手机有可能就无法工作了。

汽车可就没那么幸福了。外部行驶糟糕的道路,各种减速带,以及与其他车辆或障碍物的意外碰撞,有可能会损伤车辆内部设备,而这些内部构件都需要继续运行。如上所述,车辆内部的温度和温度变化可能也很极端。此外,电磁干扰(EMI)如果处理不当,也可能会影响通信的可靠性。

如果在这些恶劣条件下出现任何故障,那么车辆必须进入一种安全状态。但是,如果协调这一切的时钟器件因环境压力而失效,安全状态就无从谈起了。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1)。例如,某些MEMS器件可提供0.1 ppb/g的稳定性(与石英的0.5 ppb/g相比)。它们可以应对50 kg的冲击和70 g的振动。它们的运行温度在-55 ~ 125°C(比石英器件的范围更广)。而且,凭借可编程边缘速率(±0.25 ~ 40 ns)和高达4%(±0.25%)的扩频能力(石英不具备的功能),MEMS时钟器件可将EMI降低11%。

自动驾驶汽车的“生命线”需要MEMS

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,石英多次丢失信号,而MEMS表现非常稳定

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可靠性。事实上,使用相同的示例,它们从未出现过一次失效故障。系统寿命期间测量统计的每百万缺陷数(DPPM)已降至1.6以下,平均故障间隔时间(MTBF)超过10亿小时(即114000年)。而石英器件的每百万缺陷数约为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,也没有冷启动的问题,而这些一直是石英器件需要面对的挑战。与仅满足AIC-Q200要求的石英相比,MEMS时钟器件还能够满足AEC-Q100测试要求。

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