Все мы являемся свидетелями стремительного развития автомобильной электроники. Те результаты, которые были достигнуты в первой половине прошлого века и, по большей части, относились к усовершенствованию механики (например, автоматическая трансмиссия, гидроусилитель руля, омыватели ветрового стекла, круиз-контроль), стали давно привычными для водителей. Внедрение инновационных решений происходит благодаря росту вычислительных ресурсов полупроводниковых устройств, развитию инфраструктуры беспроводной связи и интернета. Автотранспортные телематические системы, в которых средства связи совместно функционируют с вычислительной техникой, прежде всего позволяют повысить безопасность и удобство вождения машин. Реализация и совершенствование функций этих систем во многом стали возможными благодаря подключению к коммуникационной инфраструктуре.
Безопасность
Система содействия управлению автомобилем (ADAS) оповещает водителя о потенциально опасных ситуациях и в некоторых случаях обеспечивает автоматическое управление автотранспортным средством. Радар, видеокамеры кругового обзора, а также интеллектуальные модули обработки изображения в составе ADAS позволяют контролировать расстояние до других объектов, помогать при торможении и парковке, определять скорость движения и т.д. Например, ADAS-система обеспечивает тактильную обратную связь с шофером через руль при попытке выезда автомобиля на другую полосу или автоматически включает тормоза, если другая машина оказывается очень близко. Такая система оповещает соответствующие службы об аварийной ситуации или обеспечивает навигационные услуги, определяя потенциальные угрозы на дороге в реальном времени.
Комфорт
Информационно-развлекательные системы (IVI) предоставляют соответствующий контент, обеспечивают GPS-навигацию, связь со смартфонами с помощью сенсорного экрана в автомобиле и распознания речевых команд.
Другие сервисы
Сервисы по управлению автотранспортным средством позволяют отслеживать угнанный автомобиль, дают рекомендации по техническому обслуживанию и обновляют функционал с помощью новых версий программного обеспечения. На рисунке 1 показаны основные функции электронных подсистем современного автомобиля.
Рис. 1. Электронные подсистемы современного автомобиля
TVModule – ТВ-модуль
Audio System – Аудиосистема
Connectivity – Связь
TransmissionControl – Управление передачей
ABS, ESP, TPMS, Electro—HydraulicBrake, TractionControl – АБС, контроль устойчивости, мониторинг состояния шин, электрогидравлический тормоз, противобуксовка
ADAS (e.g. ACC, ParkingSensor, BlindSpotDetection, Radar, LaneChangeAssistance) – ADAS (автоматический климат-контроль, датчик парковки, обнаружение объектов вне зоны видимости водителя, радар, смена ряда движения)
Telematics, Multimedia, Infotainment, GPS… – Телематика, мультимедиа, информационно-развлекательная система, GPS, навигация, звонки, автосигнализация)
Cluster – Приборная панель
EngineControlUnit – Блок управления двигателем
DiagnosisUnit – Блокдиагностики
Автопроизводители вынуждены решать три основных задачи при реализации системы на базе интеллектуальной технологии связи.
1. Новая технология должна быть надежной – обеспечивать защиту и безопасность пассажиров и пешеходов.
2. Она должна работать при экстремальных температурах. В отличие от электронных компонентов для промышленного применения, которые функционируют в пределах −40…85°C, электронные устройства в автотранспортных средствах рассчитаны на эксплуатацию в диапазонах −40…105°C (класс 2), −40…125°C (класс 1) и −40…150°C (класс 0) или выше 150°C.
3. Размер и вес – наиболее критичные параметры в силу большого числа электронных подсистем и их сложности. Для многих из этих новых приложений осцилляторы и генераторы тактовых импульсов компании Microchip на базе микроэлектромеханической (МЭМС) технологии являются отличными решениями, которые отвечают потребностям усовершенствованных систем и на те вызовы, с которыми сталкивается автомобильная отрасль.
МЭМС-осцилляторы и тактовые генераторы
Кварцевые резонаторы исправно служат в осцилляторах, тактовых генераторах уже многие десятки лет и востребованы в большом количестве приложений. Однако МЭМС-технология позволяет заменить кварцевые кристаллы МЭМС-резонаторами. К преимуществам МЭМС-осцилляторов относится высокая надежность (в т.ч. в соответствии с требованиями AEC-Q100), ударопрочность, стабильность частоты выходного сигнала в расширенном диапазоне рабочей температуры, небольшой размер и малое энергопотребление. Далее мы посмотрим, благодаря чему достигаются эти преимущества.
Высокая надежность
Кварцевые кристаллы представляют собой пластины размером в несколько миллиметров, изготовленные из чистого кварца (диоксида кремния) с покрытием из серебра по обеим сторонам. Кристаллы соединяются с контактами с помощью проводящего эпоксидного состава и помещаются в герметичный корпус (керамический или металлический), заполненный сухим азотом. Перед сборкой резонатор настраивается на заданную рабочую частоту. МЭМС-резонаторы изготавливаются из чистых кремниевых пластин с использованием того же литографического процесса, который применяется для производства полупроводниковых кристаллов. Резонатор состоит из крошечной поликристаллической балки размером 30×50 мкм, которая подвешивается на кремниевые опоры над поликремниевой заземляющей плоскостью (см. рис. 2).
Рис. 2. Микрофотография МЭМС-резонатора перед корпусированием
SupportBeam – Опорная балка
Electrode – Электрод
ResonatorBeam – Резонаторная балка
µm – мкм
Anchors – Якори
Балка прогибается в сторону этой плоскости под воздействием электростатических (в отличие от пьезоэлектрических) сил (см. рис. 3).
Рис. 3. Изгибание балки под воздействием электростатической силы
NodalSupports – Узловые опоры
Из одной кремниевой пластины изготавливается примерно 100 тыс. резонаторов с использованием стандартного литографического процесса. Кроме того, в их производстве применяется несколько специфичных для МЭМС процедур травления, позволяющих создать объемную структуру. Изготавливается также верхняя подложка, которая протравливается таким образом, чтобы обеспечить соответствие каждой резонаторной структуре на поверхности подложки устройства. Эти две подложки выравниваются относительно друг друга, прижимаются в вакууме друг к другу и герметизируются в печи при высокой температуре. Сплав двух этих подложек обладает очень высокой прочностью (см. рис. 4).
Рис. 4. Сварка верхней положки с подложкой устройства
Force – Силовое воздействие
Cap wafer – Верхняя подложка
Etchcavity – Вытравленная полость
Devicewafer – Подложка устройства
1~10µ Torr chamber – Камера с давлением 1–10 мм рт. ст.
Затем кремниевую пластину разрезают на отдельные МЭМС-кристаллы, резонаторы которых находятся в герметичных полостях, сформированных в верхней подложке (см. рис. 5).
Рис. 5. Кристалл резонатора с МЭМС-структурой внутри герметичной полости. Переходные отверстия обеспечивают связь резонатора с внешней поверхностью кристалла
TSV – Переходные отверстия
Cavity – Полость
В вакууме и при нагревании удаляются все загрязнения, благодаря чему создается очень чистая полость, обеспечивающая высокую надежность функционирования МЭМС-резонатора. Резонатор в полости соединяется с внешней частью кристалла с помощью переходных отверстий, что позволяет сохранить герметичность полости, тогда как керамический или металлический корпуса, в которые заключены кварцевые кристаллы и осциллятор ASIC, обладают сравнительно большими размерами и не обеспечивают такого уровня чистоты. Кроме того, при дегазации эпоксидного состава происходит небольшой сдвиг частоты.
Ударопрочность
Каждый МЭМС-кристалл устанавливается на верхнюю часть КМОП-осциллятора и соединяется с ним с помощью провода (см. рис. 6).
Рис. 6. МЭМС-кристалл устанавливается на верхнюю часть осциллятора ASIC
Вся сборная конструкция монтируется в корпус с использованием стандартного метода литьевого формования (см. рис. 7).
Рис. 7. Интегральный осциллятор в корпусе
В отличие от кварца, в рассматриваемом случае не требуется финальное герметичное корпусирование.
Поскольку МЭМС-резонатор очень мало весит (на несколько порядков меньше по сравнению с кварцевыми корпусами), расчетное значение его ударопрочности составляет 1 млн g. На практике ограничивающим фактором является корпус, из-за которого ударопрочность такого МЭМС-устройства меньше и равна десяткам тысяч g. Заметим, что у кварцевых устройств этот показатель не превышает 50–100g.
Стабильность частоты
Параметры МЭМС-резонатора существенно зависят от температуры. Однако это зависимость предсказуема. В схему КМОП-осциллятора входит высокоточный датчик температуры, который совместно с ФАПЧ с дробным коэффициентом деления N обеспечивают автоматическую коррекцию частоты при изменении температуры. МЭМС-резонатор может работать при температуре выше 200°C. Современные МЭМС-осцилляторы обладают очень высокой стабильностью частоты, по крайней мере, до 125°C (см. рис. 8).
Рис. 8. Сравнение стабильности частоты кварцевого и МЭМС-осцилляторов
Компактный размер
Размер кристалла резонатора составляет всего 400 кв.мкм, а благодаря меньшим проектным нормам размеры КМОП-кристалла стали меньше 1 кв.мм. Новое устройство DSC6000 выпускается в корпусах, размеры которых составляют 1,6×1,2.
МЭМС-осцилляторы и тактовые генераторы для автомобильных приложений
ADAS-радар дальнего действия определяет скорость, азимут и высоту многих автомашин, пешеходов и других объектов на дороге в сложных условиях городского трафика. Радарная подсистема передает СВЧ-сигналы в окружающее пространство и обнаруживает близко находящиеся объекты по энергии отраженных сигналов с помощью приемника. На рисунке 9 показана реализация ADAS-радара дальнего действия.
Рис. 9. Структурная схема ADAS-радара дальнего действия
RF TX – РЧ TX
RF RX – РЧ RX
RF BaseBand – Основная полоса РЧ
MHz – МГц
MCU – МК
РЧ TX и РЧ RX – радиосигналы передатчика и приемника, оснащенных собственными антеннами. Временной интервал между переданным и принятым сигналами с учетом допплеровского смещения частоты позволяет определить расстояние до объекта и его относительную скорость. Это измерение упрощается путем частотной модуляции передаваемого сигнала с помощью DSP-блока и преобразования в сигнал с аналоговой модуляцией.
Полученные отраженные сигналы также преобразуются в сигналы основной полосы частот, а затем оцифровываются DSP для использования в качестве данных о расстоянии и скорости. Технология управляемого направленного излучения позволяет получить информацию об азимуте. ИС управления питанием (PMIC) управляет питанием схемы. Первичным источником питания служит автомобильный аккумулятор. Централизованное управление системой осуществляется микроконтроллером (МК). Его связь с иными устройствами реализуется с помощью CAN-шины.
В свою очередь, контроллер передает данные водителю и подсистемам. Тактовый МЭМС-генератор DSC2311 имеет два раздельных КМОП-вывода с частотой 20 МГц для МК и DSP. Эта надежная в эксплуатации микросхема обладает ударопрочностью, обеспечивает очень стабильную частоту в диапазоне −40…125°C и позволяет сэкономить занимаемое на плате место благодаря двум раздельным выводам с буферизацией в одном корпусе размером 2,5×2,0 мм.
Информационно-развлекательная система
Информационно-развлекательная система предоставляет данные об управлении автотранспортным средством и развлекательные сервисы. На рисунке 10 показано взаимодействие специализированного прикладного процессора автомобильной системы с дисплеем сенсорной панели.
Рис. 10. Структурная схема автомобильной стереосистемы
Camera – Видеокамера
Radio – Радио
19,2 МГц
12,288 МГц
100 МГц
Sensors – Датчик
VehicleNetwork – Бортовая сеть
System MCU – СистемныйМК
Automotive Application Processor – Прикладнойпроцессор
DDR Memory – Память DDR
Flash Memory – Флэш—память
Flash Drive – Флэш—накопитель
Audio System – Аудиосистема
Display – Дисплей
Touch Panel – Сенсорная панель
Блок радио (включая GPS, службы спутниковой и наземной связи) и CD/DVD-приводы воспроизводят музыку, видео и обеспечивают навигацию с использованием в т.ч. аудиосистемы и дисплея. Модуль Bluetooth и Wi-Fi предоставляют связь со смартфонами и видеокамерой кругового обзора, позволяя водителю безопасно маневрировать автомобилем.
Микроконтроллер обеспечивает централизованное управление по бортовой сети (как правило, по шине CAN) такими системными функциями как регулирование температуры, контроль над дверными замками и давлением в шинах. 100-МГц тактовый HCSL-генератор DSC400 с очень небольшим джиттером формирует тактовую последовательность для обмена данными с флэш-памятью. Он также генерирует тактовые сигналы частотой 12,288 МГц для цифровой аудиосистемы. Отдельный осциллятор DSC6100 представляет собой источник 12-МГц сигналов для МК внутри прикладного процессора.
Сетевая связь
Подключенным к сетям интеллектуальным автомобилям с GPS, мультимедийными функциями, блоками управления двигателем и помощником по управлению требуются сетевые протоколы, поддерживающие большую ширину полосы пропускания по сравнению с протоколом CAN. Компания Microchip выпускает приемопередатчики с поддержкой технологии MOST (Media Oriented Systems Transport – высокоскоростная передача данных в бортовой системе автомобиля), обеспечивающие соответствие требованиям к сетевой связи со скоростями передачи до 150 Мбит/с USB 3.1 Gen 2 (до 10 Гбит/с) и 100Base-T1 Ethernet (до 100 Мбит/с).
Контроллеры INIC (Integrated Network Interface Controllers) от Microchip для MOST-сетей работают с тактовым сигналом распределенной сети. Кроме того, поскольку требуется также резервный тактовый генератор, с этой целью в настоящее время изучается вопрос о применении компонента DSC6100 размером 1,6×1,2 мм, работающего на частотах 18,432 и 24,576 МГц.
Высокоскоростным приложениям с USB 3.1 и 100Base-T1 Ethernet требуется тактовый генератор с малым джиттером во избежание битовых ошибок в потоках данных. На рисунке 11 показана структурная схема исходного проекта Ethernet/USB. Джиттер генератора DSC2311, работающего на частоте 25 МГц, составляет около 400 фс (СКЗ) в полосе смещения 100 кГц…20 МГц. Эти параметры намного лучше минимальных значений, указанных в стандарте.
Рис. 11. Структурная схема бортовой автомобильной сети
Соответствие нуждам автомобилей следующего поколения
Полупроводниковые синхронизирующие МЭМС-устройства, в полной мерее соответствующие требованиям интеллектуальных автомобилей завтрашнего дня с функциями связи, обеспечивают высокую точность (±10 ppm) и надежность, в т.ч. определяемую стандартом AEC-Q100, работают в широком диапазоне температуры −55…125°C, обладают превосходной ударопрочностью и вибростойкостью, имеют компактные размеры.
Компания Microchip предлагает самый полный в отрасли набор МЭМС-решений для синхронизации, к числу которых относятся осцилляторы с одним выходом, легко замещающие традиционные кварцевые осцилляторы, и генераторы с несколькими выходами, обеспечивающие высокую надежность и высокоточные тактовые сигналы, не требуя использования внешнего кристалла.
Более подробную информацию о нашей продукции и средствах проектирования см. на странице MEMS Timing на сайте www.microchip.com.