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Bei der Technik geht es immer um Kompromisse, aber autonome Fahrzeuge bringen dies aufgrund widersprüchlicher Anforderungen an ihre Grenzen.

• Diese Fahrzeuge werden große Datenmengen generieren, sowohl von den verschiedenen Arten von Sichtsensoren als auch von Umgebungssensoren, die Temperatur, Druck und andere kritische Parameter erfassen.
• Die Kommunikation wird konstant sein und intern Automotive-Ethernet und 5G nutzen, um mit der Welt zu kommunizieren.
• Sie arbeiten in einer unnachgiebigen Umgebung mit ständigen Vibrationen und Stößen. Die Temperaturen können extrem sein, sowohl bedingt durch das äußere Wetter als auch durch die Innentemperatur des Motors. Temperaturänderungen können schnell sein, sowohl äußerlich, bei schnellen Wetteränderungen, als auch innerlich, beispielsweise wenn der Motor warm wird. Durch Regen oder das Fahren auf nasser Fahrbahn kann jederzeit Feuchtigkeit entstehen.
• Autos gefährden Leben. Ein Auto sollte immer funktionieren, aber wenn etwas schief geht, muss es sich gut verhalten und in einen sicheren Zustand gelangen.
• Autos sind ein Konsumgut; Hersteller sind äußerst kostenbewusst, auch wenn sie von ihrer Elektronik eine hohe Leistung verlangen. Die Chip-Footprints müssen klein sein, um Platz zu sparen, und die Elektronik muss mit hoher Ausbeute herstellbar sein, um die Preise im Rahmen zu halten.

Durch all diese Anforderungen zieht sich ein roter Faden, den wir meist als selbstverständlich betrachten: das Timing. Damit alles im Gleichschritt funktioniert, auch wenn etwas schief geht, müssen diese Taktsignale fehlerfrei funktionieren. Das Timing ist heute geschäftskritischer als je zuvor und stellt extreme Anforderungen an die Quellen dieses Timings.

Während Quarz von gestern die erste Wahl für die Zeitmessung war, bietet die MEMS-Technologie heute und in Zukunft die einzigen Zeitquellen, die robust und zuverlässig genug sind, um für autonomes Fahren verwendet zu werden.

Es ist brutal da draußen!

Ihr Smartphone mag komplex erscheinen, ist aber nicht mit selbstfahrenden Autos zu vergleichen. Es passt in Ihre Tasche oder Handtasche. Und wenn Ihr Telefon durch einen Sturz erschüttert wird, kann es sein, dass es nicht überlebt, und das ist es, was wir (leider) erwarten. Wir erwarten und brauchen mehr von unseren Fahrzeugen. Unebene Straßen, Bremsschwellen und – Gott sei Dank – ungeplante Begegnungen mit anderen Fahrzeugen oder Gegenständen können das Innere des Autos beschädigen – aber von diesem Inneren wird erwartet, dass es weiterläuft. Die Temperaturen – und Temperaturschwankungen – können extrem sein. Elektromagnetische Störungen (EMI) können, wenn sie nicht bekämpft werden, eine zuverlässige Kommunikation verhindern.

Wenn unter diesen harten Bedingungen etwas ausfällt, muss das Auto in einen sicheren Zustand gelangen. Aber nichts davon kann passieren, wenn aufgrund von Umweltbelastungen das Timing, das alles koordiniert, versagt. Dies ist ein großer Teil dessen, was MEMS-Timing einen Vorteil verschafft: MEMS-Timing-Quellen sind viel robuster als Quarzquellen. Beispielsweise können MEMS-Zeitmessgeräte des Anbieters SiTime eine Stabilität von 0,1 ppb/ g bieten (im Vergleich zu 0,5 ppb/ g bei Quarz). Sie halten einer Erschütterung von 50 kg und einer Vibration von 70 g stand. Sie überstehen Temperaturen (und schnelle Veränderungen) von -55 bis 125 ° C (ein größerer Bereich, als Quarz verarbeiten kann). Und mit programmierbaren Flankenraten ( ± 0,25 – 40 ns) und Spread-Spectrum-Fähigkeiten von bis zu 4 % ( ± 0,25 %) – Funktionen, die bei Quarz nicht verfügbar sind – kann MEMS-Timing die EMI um 17 % reduzieren.

MEMS vs. Quarz für die Satellitenverfolgung mit Heißluftstrom und Klopfen für Vibration. Quarz verliert mehrmals die Spur; MEMS bleibt stabil.

Das Timing muss auch über die Zeit zuverlässig bleiben. MEMS-Timing hat sich als außerordentlich zuverlässig erwiesen. Statistische Messungen von Ausfällen über die Lebensdauer eines Systems sind unter 1,6 defekte Teile pro Million (DPPM) gefallen, mit einer FIT-Rate (Failures-in-Time) von weniger als 1 (über eine Milliarde Stunden oder über 114.000 Jahre mittlere Zeit zwischen Ausfällen). , oder MTBF). Durch die Verwendung von Quarz erreichen Sie 20–50 DPPM und weniger als 50 Millionen Stunden zwischen Ausfällen. MEMS erleiden auch keine Aktivitätseinbrüche und haben auch keine Probleme mit einem Kaltstart – beides ständige Quarzherausforderungen. MEMS-Quellen können auch die AEC-Q100-Anforderungen für Tests erfüllen, im Gegensatz zu Quarzquellen, die nur die AEC-Q200-Anforderungen erfüllen.

Kommunikation innen und außen

Die Automobilindustrie hat sich für eine Form von Ethernet entschieden, um die Kommunikation innerhalb des Fahrzeugs abzuwickeln. Dazu gehört die funktionale Kommunikation sowohl innerhalb als auch zwischen verschiedenen Domänen – zum Beispiel dem Antriebsstrang, dem Fahrwerk und der Mittelkonsole. Die Datenraten können 10, 40 und/oder 100 Gbit/s betragen. Basierend auf dem Ethernet, das wir in unseren Heim- und Büronetzwerken kennen, werden mehrere Probleme angegangen, die „normales“ Ethernet aufwirft.

• Es hat weniger HF-Rauschen und reduziert Interferenzen zwischen Signalen.
• Es sorgt für eine Latenzzeit im Mikrosekundenbereich für die Anforderung und Übertragung dringender Sensor- und anderer Daten.
• Bandbreite kann bestimmten Streams mit spezifischen Latenzanforderungen zugewiesen werden.
• Das Timing kann zwischen Komponenten synchronisiert werden, um beispielsweise die gleichzeitige Erfassung von Daten zu ermöglichen.

5G hingegen ist bereit, die Last der externen Kommunikation mit allem in Reichweite zu tragen: anderen Fahrzeugen, lokaler Infrastruktur und Mobilfunkmasten. Dieses „Vehicle-to-X“- oder „V2X“-System übernimmt dann das sehr enge Timing, das 5G mit sich bringt: 10 ns Latenz an jedem Ende des Netzwerks und Frequenzen im zweistelligen Gigahertz-Bereich.

Die Automobilelektronik muss intern über Automotive Ethernet und extern über 5G kommunizieren.

Diese Kommunikation umfasst sowohl überkritische Dinge wie Gespräche zwischen Autos darüber, wer wann wohin fährt, als auch praktische Dinge wie das Streamen von Musik (in Echtzeit oder nicht). Alles muss zuverlässig funktionieren, um eine sichere und komfortable Fahrt zu gewährleisten. MEMS-Timingquellen bieten die erforderliche Frequenz- und Jitter-Leistung, um sowohl das interne als auch das externe Netzwerk am Laufen zu halten. Frequenzen über 700 MHz mit einer Stabilität bei ±0,1 ppm (von -40 bis 105 ° C ) oder ± 20 ppm (von -55 bis 125 ° C) unterstützen diese Leistung.

Im Vergleich dazu verfügen Quarzuhrquellen über weniger Frequenzoptionen, alle in großen Gehäusen. Sie erreichen eine Stabilität von nur ±50 ppm von -40 bis 125 ° C. Sie leiden außerdem unter sogenannten „Aktivitätseinbrüchen“ und anderen anomalen Verhaltensweisen, was sie in sicherheitskritischen Anwendungen weniger zuverlässig macht.

Verkleinerung des Timing-Footprints

Schließlich gilt: Je weniger Platz die Timing-Quellen benötigen, desto besser. Das heißt, Sie haben je nach Ihren Prioritäten Optionen. Für das ultimative Kleinpaket sind MEMS in 2,0 mm x 1,6 mm großen DFN-Gehäusen erhältlich. Wenn die Leitungsprüfung für eine kostengünstigere Fertigung von entscheidender Bedeutung ist, kann die Zeitmessung in SOT23-5-Gehäusen erfolgen.

MEMS-Timing erfordert außerdem keine Lastkondensatoren und ein einzelner Treiber kann mehrere Lasten ansteuern. Beide Eigenschaften stehen im Gegensatz zu Quarz. Und Quarz muss naturgemäß in größeren Verpackungen verpackt werden.

Zusammenfassung der Funktionen, die speziell für verschiedene Automobilanwendungen von Nutzen sind.

Automobildesigns wenden sich MEMS zu

Automobilanwendungen gehören zu den anspruchsvollsten, die man sich vorstellen kann, insbesondere wenn man bedenkt, dass die Preisgestaltung von Chips mit den Verbraucherpreisen kompatibel sein muss. Sie arbeiten unter extrem harten Bedingungen; sie müssen eine zuverlässige Kommunikation nach innen und außen aufrechterhalten; Und sie müssen in der Lage sein, riesige Mengen an Sensordaten zu sammeln, zu verarbeiten und zu verteilen, um weiterhin effizient und sicher zu funktionieren.

Das Timing, das alle diese miteinander verwobenen Systeme steuert, muss robust und zuverlässig sein. Es muss eine hohe Leistung bei möglichst geringem Platzbedarf bieten. Dies sind alles Merkmale des MEMS-Timings. Der Übergang von Quarz zu MEMS wird zum Teil von unserem Wunsch nach Fahrzeugen bestimmt, die uns sicher von hier nach dort bringen, während wir uns zurücklehnen und das Auto fahren lassen.

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