通常新的技術取代成熟技術能夠帶來功能上的突破。在過去的50多年裡，半導體行業一直都在追求更小的尺寸、更快的速度以及更便宜的價格(還有更高的效能以及可靠性等)。而現今，汽車應用中大量使用的數位電路則對時脈要求越來越高，因此相較於過去，現今對於微機電系統(MEMS)振盪器呈現出極大的需求。本文將討論各類汽車應用中出現的這一新興的需求，並解釋MEMS與晶振之間的差異。此外，還將介紹一類全新的汽車等級MEMS振盪器，這類振盪器可滿足大多數對時間關鍵型的應用需求，並能為所有應用帶來更高的可靠性。
新興汽車應用需求
現今，汽車通常都會搭載高階駕駛輔助系統(ADAS)(包括車載攝影機、超音波感應、LiDAR和雷達)、資訊娛樂系統以及車載網路等等，而這一切都需要依賴精確的時脈來動作。儘管MEMS振盪器已量產並應用於汽車領域的時間長達十多年之久，但搭載ADAS的自動駕駛汽車的新興用途需要更強大的功能，普通的時間同步元件顯然已無法勝任。
可靠性一直以來都是汽車製造商及其電子系統供應商所關注的焦點。石英振盪器通常採用對石英晶體進行機械切割和打磨的方式來獲得所需頻率，並封裝在密封的外殼中。但由於晶振的結構比較單薄，極易受到外在的振動影響而損壞，因此其頻率通常限制為固定頻率。而且，這類元件在生產時的潔淨度等級也不高。此外，尺寸相對較大的石英元件在衝擊和振動較高的條件下甚至無法很好地保持原有的效能。
相比之下，MEMS振盪器則在積體電路(IC)製造廠中生產，因此與其他IC一樣具有非常高的潔淨等級。確切地說，與傳統的晶振相比，抗振動能力提高了5倍，MEMS振盪器的可靠性提高了20倍，抗衝擊能力更是提高了500倍。
此外，MEMS振盪器還兼具小巧尺寸和堅固耐用的特性。相較之下，晶振的尺寸是有限度的，而且尺寸越小，價格越貴。在空間受限非常嚴謹的汽車應用中，由於晶振尺寸過大，無法滿足極為嚴格的空間限制要求，才不得已對車內的部分攝影機進行改裝。因此，MEMS技術自然而然地成為了這批汽車應用的理想替代解決方案。此外，ADAS等許多全新汽車應用均更為青睞較小的封裝，因此MEMS振盪器的尺寸成為了取代晶振的另一個驅動因素。
MEMS振盪器還有一項優勢是能夠在極高溫度下保持其頻率穩定性。相比之下，石英元件則會隨著溫度的變化呈現出明顯的非線性特性，因此很難保持頻率穩定性。目前可用的MEMS振盪器為1級(根據AEC-Q100標準)，即-40℃至+125℃的環境工作溫度範圍。而新一代MEMS振盪器將支援更高的溫度，能夠滿足汽車中部分區域的0級(-40℃至150℃)需求(表1)。
表1 顯示AEC-Q100不同等級的工作溫度
在汽車應用中，往往會由於振盪器安裝位置的環境溫度較高或需要將振盪器放置在印刷電路板(PCB)上的特定位置而出現溫度過高的問題。而且，汽車中的連線等級越高，所需的IC功率也會越高。這些IC散發的熱量會導致附近元件的局部環境溫度升高。此外，為了保持系統穩定性，通常需將晶振放置在依靠它工作的IC附近，歷史資料表明此類晶振支援到3級即可。但是，這種情況也正在改變中。
資訊娛樂系統中的微處理器往往會消耗大量熱量，儘管大多數汽車內部元件被指定為2級(最高105℃)，但靠近處理器的時脈需要支援到1級(最高125℃)。由於這些功能強大的處理器很容易使晶振升溫，進而導致其因溫度漂移造成頻率的偏移而超出所需的頻率範圍，因此MEMS振盪器堪稱絕佳的替代解決方案。如果想要繼續使用晶振，其中一種解決方案是將其安裝在遠離處理器的位置，但這樣會影響PCB上的局部布局。另一種解決方案是使用穩定性更高(-50℃至125℃)的晶振，但成本也更高——可能是原來的三倍或三倍以上。
相比之下，MEMS振盪器因配備主動溫度補償電路而顯得更為出色。該電路可以透過溫度檢測與調節功能即時校正溫度變化(每秒多達30次)，進而保持穩定的輸出頻率。這為高溫應用帶來了非常精確(誤差低至±20ppm)的溫度穩定性，與高穩定性晶振相比所需成本則更低。
隨著圖形(GPU)和計算(CPU)IC及其相關電源管理IC的效能和處理能力不斷提高，現有晶振勢必將因相關方面的局限性而面臨越來越多的挑戰。
MEMS振盪器技術
MEMS振盪器的核心基礎是MEMS諧振器。這是一種由矽蝕刻而成的結構，可產生非常精確的機械振動，進而提供精確的頻率。採用FFS(Free-Free Beam Short Support)的諧振器設計如圖1所示。諧振樑與基板上的四個錨定位置接觸，它位於基板之上並留有狹小的間隙，以便諧振器能夠自由擺動。
圖1 使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察到的微機械加工FFS諧振樑(僅為30×50μm)。
FFS諧振樑下方的電極形成了靜電換能器。當諧振樑和電極處於不同電壓下時，它們之間會產生一個力。換能器間隙的作用相當於時變電容，偏置時以諧振頻率產生輸出電流。
為了實現高品質因數，MEMS諧振器將透過封蓋和密封工藝(採用熔接技術)密封在真空環境中。由此實現的晶圓級封裝可廣泛用於各種注塑IC封裝。圖2顯示了密封MEMS晶片內的諧振器如何堆疊到CMOS應用特定的積體電路(ASIC)上。MEMS元件透過接合線連接到ASIC晶片。
圖2 完整MEMS振盪器結構的分解圖
在ASIC中，內建單次燒錄(OTP)記憶體和縱橫開關實現了產品靈活性。設置輸出頻率的PLL和除頻器值以及溫度校準設置、輸出協定選擇、上升/下降時間控制、使能接腳上拉/下拉值等均儲存在該記憶體中。
實際上，MEMS ASIC中可以添加許多功能。例如可以添加多個輸出，這樣有助於減少所需空間以及實現石英晶振上無法添加的功能。或者也可以添加擴頻功能，進而減少或避免電磁干擾(EMI)問題。EMI也可能受時脈輸出的上升和下降時間影響。利用MEMS振盪器中ASIC的可程式設計性來更改時脈的上升和下降時間，可即時地解決這一問題並最終完成了設計。
汽車級MEMS時脈解決方案
近日市面上推出的DSA11x1和DSA11x5均為汽車等級MEMS振盪器和時脈產生器，它們符合AEC-Q100標準，在-40℃至+125℃的溫度範圍內具備出色的頻率穩定性(低至±20ppm)，專門用於AEC 1級、2級和3級應用。
這些MEMS振盪器的相位抖動均低於1ps(典型值)，工作頻率範圍為2.3MHz至170MHz，並且有2.5mm×2.0mm、3.2mm×2.5mm和5.0mm×3.2mm三種符合工業標準的小巧尺寸可供選擇，厚度均為0.85mm。圖3顯示了這些MEMS振盪器中整合的模組。舉例來說，DSA1105/25在功能上與DSA1101/21相當，但上升和下降時間相對更長，因此可降低EMI。
圖3 MEMS振盪器中的各個模組結合，在整個溫度範圍內實現了穩定的時脈頻率。
圖4所示為利用該項技術實現溫度穩定性的範例。MEMS振盪器中的溫度感測器與其他電路搭配提供晶片溫度的數位表示，隨後傳送到PLL以校正諧振器絕對頻率的自然擴散以及溫度係數。
圖4 與晶振相比，MEMS振盪器的頻率穩定性顯著提高，特別是在高達125℃的溫度下。
多輸出MEMS振盪器
在這些全新推出的符合AEC-Q100的1級MEMS振盪器中，有一款振盪器是業界首款雙輸出MEMS振盪器，即DSA2311。這款振盪器採用2.5×2.0 mm封裝，可替代電路板上的兩個晶振或其它振盪器(見圖5)。該元件的兩個同步CMOS輸出的範圍均為2.3MHz至170 MHz。這不但能夠節省PCB空間，而且還能降低採購、庫存和安裝成本，並最終提高產品整合度。
圖5 雙輸出MEMS振盪器內部方塊圖
使用雙輸出MEMS振盪器，可以用單個元件替代兩個晶振，進而降低物料清單(BOM)成本。資訊娛樂系統通常包含一個主機板和多個處理器，而其中每個部分均需要採用單獨的參考頻率。在這種情況下，可以採用雙輸出MEMS振盪器來替代多個時脈。由於PCB空間通常比較有限，因此MEMS振盪器堪稱理想之選，可解決不少問題。圖6顯示了如何在汽車電路中將雙輸出MEMS振盪器和其他元件搭配布局。
圖6 該應用圖顯示了雙輸出MEMS振盪器如何同時為兩個元件提供時脈。
許多半導體供應商非常注重產品的生命週期，而且始終秉承著「市場需求導向」原則，即根據開發者的需求來決定產品的停產時間。因此，能夠保證為汽車製造商及其供應商源源不斷地供應MEMS振盪器，對半導體供應商而言相當重要。
線上工具縮短開發時間
對於任何設計變更而言，設計支援至關重要。利用線上工具，設計人員可根據頻率、封裝尺寸和溫度範圍輕鬆選擇和客製適合其應用的MEMS振盪器。此外，使用Clockworks配置器甚至還可以自訂雙輸出時脈發生器的兩個輸出頻率(表2)。
表2 符合汽車標準的1級MEMS振盪器及其特性
雖然使用配置器需要2至5天才能收到樣品，但收到樣品後，設計人員可以使用TimeFlash 2現場燒錄工具套件，將空白的可程式燒錄的振盪器為自訂頻率進行燒錄，只要幾秒鐘即可執行設計驗證。將工具套件插入PC的USB埠即可在用戶電腦桌面上進行快閃記憶體的燒錄。該工具套件還能夠測量標準振盪器的頻率精度和功耗，以及測量電流和穩定性。
MEMS振盪器提升汽車可靠性
在過去的20年裡，可靠性已逐漸成為汽車製造商倍加關注的焦點。在PCB上，IC的可靠性最高。但包括晶振在內的其他元件均尚未達到這一水準。相比之下，MEMS振盪器已將振盪器的可靠性提升至IC水準，這對汽車客戶來說大有裨益。自動駕駛等應用通常需要達到最高級別的可靠性，因此MEMS振盪器解決方案成為了汽車供應商的最佳選擇。總結來說，MEMS振盪器具備的諸多優勢，包括更高的頻率穩定性、節省空間、支援更高的溫度以及出色的抗衝擊和振動能力等。目前，已有越來越多的汽車製造商因看重這些優勢而轉為採用全新的MEMS振盪器技術。
(本文作者為Microchip時脈及通訊部門產品行銷經理)