自動運転車のタイミングはMEMSを意味します
エンジニアリングには常にトレードオフが関係しますが、自動運転車は相反する要件によってそれを限界まで押し上げています。
- これらの車両は、さまざまな形式の視覚センサーと、温度、圧力、その他の重要なパラメーターを検出する環境センサーの両方から大量のデータを生成します。
- 通信は継続的に行われ、内部では車載イーサネットを使用し、世界との通信には 5G が使用されます。
- これらは、絶え間ない振動と衝撃にさらされる過酷な環境で動作します。外部の天候とエンジン内部の温度の両方により、温度が極端に高くなることがあります。温度変化は、急激な天候の変化による外部と、たとえばエンジンの暖機時などの内部の両方で急激に変化することがあります。雨や濡れた舗装路の走行により、いつでも湿気が発生する可能性があります。
- 自動車は命を危険にさらします。車は常に機能する必要がありますが、何か問題が発生した場合は、安全な状態に移行するまで適切に動作できなければなりません。
- 車は消費財です。メーカーは、エレクトロニクスに高いパフォーマンスを要求しながらも、コストを非常に重視しています。チップの設置面積は面積を節約するために小さくなければならず、電子機器は価格を範囲内に保つために高い歩留まりで製造可能でなければなりません。
これらすべての要件を貫く 1 つの共通点は、私たちが通常当然のことと考えているものです。それはタイミングです。すべてが同期して動作するためには、たとえ問題が発生しても、これらのクロック信号が確実に動作する必要があります。タイミングは現在、これまで以上にミッションクリティカルなものとなっており、そのタイミングのソースに対して極めて厳しい要求が課せられています。
クォーツは、これまでは計時手段として利用されてきましたが、現在も将来も、自動運転に使用できるほど堅牢で信頼性の高い唯一の計時源を提供するのは MEMS テクノロジーです。
それは残忍です!
スマートフォンは複雑に見えるかもしれませんが、自動運転車とは比べものになりません。ポケットやバッグに入れて持ち運べます。そして、あなたの携帯電話が落下によって衝撃を受けた場合、それは耐えられない可能性があり、それが私たちが（悲しいことに）予想していることです。私たちは車両にさらに多くのことを期待しており、それを必要としています。でこぼこした道路、スピードバンプ、そして、他の車両や物体との予期せぬ遭遇により、車の内部が損傷する可能性がありますが、それらの内部は動作し続けることが期待されています。温度と温度変化は極端になる場合があります。電磁干渉 (EMI) を管理しないと、信頼性の高い通信が妨げられる可能性があります。
このような過酷な条件下で何かが故障した場合、車は安全な状態に入る必要があります。しかし、環境ストレスの結果、すべてを調整するタイミングが狂わなければ、そのどれもが起こり得ません。これは、MEMS タイミングに優位性を与える大きな部分です。MEMS タイミング ソースは、石英ソースよりもはるかに堅牢です。たとえば、サプライヤー SiTime の MEMS タイミング デバイスは、(クォーツの 0.5 ppb/ gと比較して) 0.1 ppb/ gの安定性を提供できます。 50kgの衝撃と70gの振動に耐えることができます。これらは、-55 ～ 125 ° C の温度 (および急激な変化) に耐えます (クォーツが対応できる温度より広い範囲)。また、プログラム可能なエッジ レート ( ± 0.25 – 40 ns) と最大 4% ( ± 0.25%) のスペクトラム拡散機能 – クォーツでは利用できない機能により、MEMS タイミングにより EMI を 17% 削減できます。
熱風流とタッピングによる振動による衛星追跡における MEMS と石英の比較。クォーツは何度かトラッキングを失います。 MEMSは安定した状態を保ちます。
また、タイミングは長期間にわたって信頼性を維持する必要があります。 MEMS タイミングは非常に信頼性が高いことが証明されています。システムの耐用年数全体にわたる故障の統計的測定値は、100 万分の 1 個の欠陥部品 (DPPM) が 1.6 を下回り、定時故障 (FIT) 率は 1 未満 (10 億時間以上、平均故障間隔は 114,000 年以上) 、またはMTBF）。クォーツを使用すると、20 ～ 50 DPPM で故障間隔が 5,000 万時間未満になります。 MEMS は、活動の低下やコールド スタートの問題も発生しません。これは石英の長年の課題です。 AEC-Q200 要件のみを満たす水晶と比較して、MEMS ソースはテスト用の AEC-Q100 要件も満たすことができます。
内外のコミュニケーション
自動車業界は、車内の通信を処理するためにイーサネットの形式に落ち着きました。これには、パワートレイン、シャーシ、センタースタックなど、さまざまなドメイン内およびドメイン間の機能的な通信が含まれます。データ レートは 10、40、および/または 100 Gbps です。私たちの家庭やオフィスのネットワークでよく知られているイーサネットに基づいており、「通常の」イーサネットが引き起こすいくつかの懸念に対処します。
- RF ノイズが少なく、信号間の干渉が軽減されます。
- 緊急のセンサーやその他のデータを要求して送信するためのマイクロ秒のレイテンシーを提供します。
- 帯域幅は、特定の遅延要件を持つ特定のストリームに割り当てることができます。
- コンポーネント間でタイミングを同期できるため、たとえばデータの同時サンプリングが可能になります。
一方、5G は、他の車両、地域インフラ、携帯電話基地局など、通信範囲内にあるあらゆるものと外部通信するという負担を負う態勢が整っています。この「車両から X」または「V2X」システムは、5G が課す非常に厳しいタイミング、つまりネットワークの両端で 10 ナノ秒の遅延、および 2 桁のギガヘルツ範囲の周波数を引き受けます。
自動車エレクトロニクスは、内部では車載イーサネット経由で、外部では 5G 経由で通信する必要があります。
このコミュニケーションには、誰がいつどこに行くかについての車同士の会話のような超重要なものと、ストリーミング音楽 (リアルタイムかどうかに関係なく) のような便利なものの両方が含まれます。安全で快適な乗り心地を確保するには、すべてが確実に機能する必要があります。 MEMS タイミング ソースは、内部ネットワークと外部ネットワークの両方の稼働を維持するために必要な周波数とジッターのパフォーマンスを提供します。 700 MHz を超える周波数、 ±0.1 ppm (-40 ～ 105 ° C ) または ± 20 ppm (-55 ～ 125 ° C) の安定性がこの性能をサポートします。
比較すると、クォーツ クロック ソースには周波数オプションが少なく、すべてが大きなパッケージで提供されます。 -40 ～ 125 °C で管理される安定性はわずか ±50 ppm です。また、いわゆる「アクティビティ ディップ」やその他の異常な動作も発生するため、安全性が重要な用途では信頼性が低くなります。
タイミングフットプリントの縮小
最後に、タイミング ソースに必要なスペースは少ないほど良いのです。つまり、優先順位に応じてオプションがあります。究極の小型パッケージングを実現するために、MEMS は 2.0 mm x 1.6 mm DFN パッケージで提供されます。より安価な製造のためにリード検査が重要な場合は、SOT23-5 パッケージでタイミングを取得できます。
MEMS タイミングには負荷コンデンサも必要なく、単一のドライバで複数の負荷を駆動できます。これらの特性はどちらもクォーツとは対照的です。そして、クォーツはその性質上、より大きなパッケージを使用する必要があります。
さまざまな自動車アプリケーションに特にメリットをもたらす機能の概要。
MEMS に注目する自動車設計
自動車アプリケーションは、特にチップの価格設定が消費者の価格帯に適合する必要があることを考慮すると、考えられる限り最も要求の厳しいアプリケーションの 1 つです。これらは非常に過酷な条件下で動作します。社内外で信頼性の高いコミュニケーションを維持する必要があります。また、効率的かつ安全に機能し続けるためには、大量のセンサー データを収集、処理、配信できなければなりません。
これらすべての絡み合ったシステムを制御するタイミングは、堅牢で信頼性が高くなければなりません。設置面積を最小限に抑えながら、高いパフォーマンスを提供する必要があります。これらはすべて MEMS タイミングの特性です。石英から MEMS への移行は、部分的には、私たちが座って車に運転を任せながら、私たちをここからそこまで安全に連れて行ってくれる車への私たちの熱意によって導かれるでしょう。
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