Temporizare revoluționară pentru oscilatoarele MEMS certificate pentru domeniul auto

8 FEBRUARIE 2021

Diferențele dintre oscilatoarele MEMS și oscilatoarele de cristal și avantaje pentru aplicații auto

Înlocuirea unei tehnologii bine cunoscute cu o abordare mai modernă poate oferi adesea capabilități inovatoare. Pentru dis­pozi­tivele semiconductoare, avantajele clasice precum amprentă redusă, rapiditate, ren­tabilitate (performanță, fiabilitate și multe altele) au fost atracția principală în ultimii 50 de ani. Circuitele digitale de astăzi pentru aplicații din domeniul auto, care au cerințe critice de temporizare, au o nevoie, chiar mai mare decât în trecut, de oscilatoare bazate pe sisteme micro-electro-mecanice (MEMS). Articolul va aborda această nevoie emer­gentă pentru o varietate de aplicații auto, va explica diferențele dintre oscilatoarele MEMS și cele cu cristal și va prezenta o nouă clasă de oscilatoare MEMS certificate pentru domeniul automobilelor, care pot fi utilizate în cele mai critice aplicații de timp, oferind o fiabilitate îmbunătățită.

Noi cerințe pentru aplicații auto emergente
Automobilele de astăzi necesită temporizare precisă pentru sistemele avansate de asistență a conducătorului auto (ADAS), care includ camere de bord, detectare cu ultrasunete, LiDAR și radar, precum și pentru rețelele de infotainment (informare și entertainment) din vehicule și multe altele. În timp ce oscilatoarele MEMS sunt produse și utilizate în aplicații auto de peste zece ani, utilizarea în creștere a sistemului ADAS pentru mașinile autonome, cu conducere automată, necesită o capabilitate și mai mare și cere mai mult de la dispozitivele de sincronizare a timpului.

Tabelul 1: Temperatura de funcționare conform AEC-Q100 în funcție de ‘Grad’.

Cerințe auto
Fiabilitatea este o preocupare majoră pentru producătorii de automobile și furnizorii lor de sisteme electronice. Oscilatoarele de cristal sunt tăiate mecanic din cuarț, sunt șlefuite pentru a obține frecvența potrivită și sunt ambalate într-o capsulă închisă ermetic. Structura subțire a cristalului îl face susceptibil la defectarea din cauza vibra­țiilor și îl limitează la o frecvență fixă. De asemenea, nivelul de filtrare a impuri­tăților în timpul procesului de fabricație nu este suficient de ridicat pentru aceste dispozitive. Mai mult, dispozitivele, relativ mari, de cuarț nu rezistă bine în condiții de șoc și vibrații crescute.

Figura 1: Structura surprinsă de un microscop electronic cu scanare (SEM) a unei bare micro-prelucrate de rezonator FFS, care are doar 30 µm × 50 µm.

În schimb, oscilatoarele MEMS sunt produse într-o instalație de fabricare a unui circuit integrat (IC), deci au un nivel de filtrare al impurităților mult mai mare, precum alte IC-uri. De fapt, oscilatorul MEMS asigură o fiabilitate de 20 de ori mai mare, o tole­ranță de 500 de ori mai bună la șoc și o rezistență la vibrații de cinci ori mai bună decât oscilatoarele tradiționale cu cristal. Oscilatoarele MEMS sunt și foarte mici și robuste. Cristalele au o dimensiune finită, iar cristalele mai mici devin din ce în ce mai scumpe. În primele aplicații auto, unde constrângerile de spațiu erau foarte drastice, a fost necesar să se reamplaseze unele dispozitive de pe vehicule din cauza dimensiunii cristalului. În aceste aplicații, abordarea MEMS a fost o soluție naturală. Mai multe aplicații auto noi, cum ar fi ADAS, necesită o amprentă chiar mai mică, astfel încât dimensiunea oscilato­rului MEMS devine un alt factor determinant pentru a înlocui oscilatoarele de cristal.

Figura 2: Vedere detaliată a construcției unui oscilator MEMS.

Un alt aspect al oscilatoarelor MEMS este capacitatea lor de a-și menține frecvența la o valoare stabilă la temperaturi foarte ridicate. Dispozitivele din cuarț au o caracte­ristică foarte neliniară cu temperatura și au mai multe deficiențe în această zonă.
Oscilatoarele MEMS disponibile astăzi au clasifi­care ‘Grad 1’ (interval de tempera­tură ambientală de funcționare conform AEC-Q100: de la -40 până la + 125°C ).
Următoarele generații de oscilatoare MEMS vor funcționa la tempe­raturi mai ridicate și se vor preta pentru unele zone din mașină unde este necesară o clasificare ‘Grad 0’ (-40 până la 150°C) (vezi tabelul 1).
Temperaturile ridicate în oscilator pot apărea într-o aplicație auto din cauza temperaturii ambientale în locul de instalare și/sau a amplasării oscilatorului pe placa de circuit imprimat (PCB).

Figura 3: Blocurile din oscilatorul MEMS se combină pentru a obține o frecvență de ceas stabilă pe intervalul de temperatură de funcționare.(Sursă : Microchip Technology)

Nivelurile mai ridicate de conectivitate în vehicule au necesitat circuite integrate de putere mai mare. Căldura disipată de la aceste circuite integrate crește temperatura ambientală locală pentru componentele din apropiere. Pentru stabilitatea sistemului, oscilatorul de cristal este plasat în mod normal aproape de circuitul integrat pe care îl deservește și, din punct de vedere istoric, acest lucru a permis o evaluare la ‘Grad 3’. Totuși, această situație se schimbă.
Microprocesoarele din sistemele media de bord disipă căldură semnificativă și, deși ma­joritatea componentelor interioare ale ma­șinii sunt specificate ‘Grad 2’ (până la 105°C), ceasurile care sunt apropiate fizic de procesoare necesită suport pentru ‘Grad 1’ (până la 125°C). Un oscilator MEMS este cea mai bună soluție, deoarece niște procesoare puternice, precum cele menționate anterior, pot încălzi cu ușurință un cristal, care va fi afectat de o variație/creștere a temperaturii, producând o schimbare de frecvență, determinând oscilatorul să se afle în afara intervalului de frecvență necesar. O soluție, care permite utilizarea continuă a oscilatorului de cristal, este montarea acestuia mai departe de procesor. Acest lucru afectează spațiul/traseul de pe PCB. O altă soluție este un oscilator de cristal cu stabilitate mai mare (de la -50 până la 125°C), care costă mai mult – poate de trei ori mai mult.

Figura 4: Stabilitatea frecvenței unui oscilator MEMS în comparație cu oscilatoarele de cristal arată o îmbunătățire importantă, în special la temperaturi mai ridicate de până la 125°C.

În schimb, un oscilator MEMS are circuite active de compensare a temperaturii. Circuitul oscilatorului MEMS dispune de corecție în timp real pentru variațiile de temperatură – de până la 30 de ori pe secundă – prin detectarea și reglarea temperaturii pentru a menține o frecvență de ieșire constantă. Acest lucru realizează o stabilitate foarte precisă a temperaturii (de până la ± 20 ppm) pentru aplicații la temperaturi ridicate și poate oferi o reducere a costurilor, dacă este comparat cu costul unui oscilator cu cristal de înaltă stabilitate.
Odată cu creșterea performanței și a puterii de procesare pentru circuitele integrate grafice (GPU) și de calcul (CPU) precum și a circuitelor integrate de management a puterii asociate acestora, oscilatoarele de cristal existente vor fi din ce în ce mai solicitate la limita lor superioară și dincolo de aceasta.

Tehnologia oscilatorului MEMS
Baza unui oscilator MEMS este un rezonator MEMS. Acesta este o microstructură din sili­ciu, care produce vibrații mecanice foarte precise pentru a oferi o frecvență exactă. Proiectarea rezonatorului Free – Free beam Short support – (FFS) este prezentată în figura 1. Rigidizând substratul în patru locații de ancorare care susțin, printr-o bară suport, separată printr-un spațiu îngust, placa centrală, rezonatorul este liber să se miște.
Electrodul de sub bara rezonatorului FFS creează un traductor electrostatic. Când bara și electrodul sunt ținute la tensiuni diferite, se generează o forță între ele.

Deoarece decalajul traductorului variază atunci când este polarizat, structura se comportă ca un condensator variabil în timp, care produce un curent de ieșire la frecvența de rezonanță. Pentru a obține factori de calitate ridicați, un proces de acoperire și etanșare, care utilizează lipirea prin fuziune, încapsulează rezonatorul MEMS în vid. Placheta rezultată poate fi utilizată într-o gamă largă de capsule IC turnate prin injecție. Figura 2 arată cum rezonatorul din matrița MEMS complet sigilată este plasat pe un circuit integrat specific unei aplicații CMOS (ASIC). Legăturile cu fire conectează dispozitivul MEMS la matrița ASIC.
În ASIC, memoria OTP integrată în cip și un comutator transversal oferă flexibilitate. Valorile PLL și ale divizorului, care setează frec­vența de ieșire, sunt stocate în această me- morie, împreună cu parametrii de calibrare a temperaturii, alegerea protocolului de ieșire, controlul timpului de creștere/scădere, acti­va­rea pinilor de pull-up/down și alte valori.

Figura 5: Capsula oscilatorului DSA2311 MEMS de la Microchip are 2,5 mm × 2,0 mm.  –– (Sursă : Microchip Technology)

De fapt, multe funcționalități pot fi adăugate la MEMS ASIC. Pot exista mai multe ieșiri, care ajută la reducerea spațiului și funcțio­nalității necesare, ce nu pot fi adăugate unui cristal de cuarț. Un alt exemplu este o funcție de împrăștiere a spectrului (spred-spectrum function) pentru a reduce sau evita proble­mele de interferență electro­magnetică (EMI). EMI poate fi, de asemenea, afectată de creșterea și scăderea timpului semnalului de ceas. Cu programabilitatea ASIC în oscilatoarele MEMS, schimbarea timpului de creștere și de coborâre a semnalului de ceas a rezolvat problema într-un mod foarte oportun și a dus la finalizarea proiectării.

Soluții de temporizare MEMS certificate pentru automobile
Produsele recent lansate, DSA11x1 și DSA11x5, sunt oscilatoare MEMS și genera­toare de ceas destinate domeniului auto. Dispozitivele cer­tificate AEC-Q100 au o stabilitate a frec­venței de până la ±20 ppm pe o gamă de temperaturi de la -40 până la + 125°C și sunt destinate aplicațiilor AEC de ‘Grad 1’, ‘Grad 2’ și ‘Grad 3’. Cu variații neregulate de fază sub 1 ps (tipic), aceste oscilatoare MEMS funcțio­nează într-o gamă de frecvență de la 2,3 la 170 MHz.

Figura 6: Diagrama bloc internă a oscilatorului DSA2311 MEMS de la Microchip (Sursă : Microchip Technology)

Dispozitivele calificate AEC sunt disponibile cu amprente mici, conforme standardelor industriale, de 2,5 mm × 2,0 mm, 3,2 mm × 2,5 mm și 5,0 mm × 3,2 mm și toate au o grosime de 0,85 mm. Echivalent funcțional cu DSA1101/21, DSA1105/25 are timpi de creștere și de scădere mai lungi pentru reducerea EMI. Figura 3 prezintă integrarea acestor oscilatoare MEMS.
Utilizat împreună cu alte circuite, senzorul de temperatură din oscilatorul MEMS produce o reprezentare digitală a temperaturii matriței, care este trimisă la PLL pentru a corecta deviația naturală a frecvenței absolute a rezonatorului, precum și coeficientul său de temperatură. Figura 4 prezintă un exemplu de stabilitate la temperatură prin intermediul acestei tehnici.

Figura 7 Modul cum oscilatorul MEMS cu ieșire dublă DSA2311 poate asigura temporizarea a două componente. – (Sursă : Microchip Technology)

Oscilatoare MEMS cu ieșire multiplă
Unul dintre aceste noi oscilatoare MEMS calificate AEC-Q100 de ‘Grad 1’, DSA2311, este primul oscilator MEMS din industrie cu ieșire duală.
Disponibil într-o capsulă de 2,5 mm × 2,0 mm (figura 5), acesta poate înlocui două cristale sau oscilatoare de pe un cablaj (vezi figura 6). Cele două ieșiri CMOS simultane ale unității variază de la 2,3 MHz la 170 MHz. Acest lucru economisește spațiu pe PCB, reduce costurile de achiziție, inventar și instalare și, în cele din urmă, duce la o integrare mai mare.
Cu ajutorul oscilatorului MEMS cu ieșire dublă, pot fi înlocuite două cristale cu un singur dispozitiv, reducând costul listei de materiale (BOM). Instrumentarul de bord are în esență o placă de bază cu multe procesoare și fiecare necesită o frecvență de referință. În acest caz, oscilatorul MEMS cu ieșire dublă poate înlocui mai multe ceasuri. Deoarece spațiul pe PCB poate fi destul de valoros și greu de distribuit, acest oscilator MEMS este o opțiune ce poate rezolva câteva probleme. Figura 7 arată cum DSA2311 și alte dispozitive Microchip se reunesc într-un circuit auto.
Microchip are o istorie bogată în ceea ce privește longevitatea produselor, iar practica sa orientată către client asigură că Microchip va pune la dispoziție produsele pe o perioadă cât mai lungă posibil, atunci când există cerere. Producătorii de autoturisme și furnizorii lor pot conta pe o sursă consistentă de oscilatoare MEMS, mult mai mult decât se pot aștepta de la alți furnizori de semiconductoare.

Tabelul 2: Oscilatoarele și caracteristicile MEMS, certificate Grad 1, de la Microchip (Sursă : Microchip Technology)

Timpul este Esențial
Pentru orice modificare de design, este esențial suportul pentru proiectare. Cu ajutorul configuratorului online ClockWorks® de la Microchip, proiectanții pot selecta și personaliza cu ușurință oscilatorul MEMS potrivit pentru aplicația lor pe baza frecvenței, dimensiunii capsulei și intervalului de temperatură și pot comanda și mostre gratuite. Chiar și cele două frecvențe de ieșire ale generatorului de ceas cu două ieșiri DSA2311 pot fi personalizate utilizând configuratorul Clockworks. În timp ce clienții pot primi mostre în termen de 2 până la 5 zile de la configurare, cu kit-ul de programare în teren TimeFlash 2, proiectanții pot programa oscilatoare noi direct la fața locului la o frecvență personalizată și pot efectua verificarea proiectului în câteva secunde. Conectarea kitului la portul USB al computerului permite programare Flash chiar pe desktopul utilizatorului. Kitul oferă, de asemenea, capabilitatea de a măsura precizia frecvenței și consumul de putere al oscilatoarelor standard, precum și măsurarea curentului și stabilității.

Schimbarea e bună
În ultimii 20 de ani, fiabilitatea a devenit o preocupare mult mai mare pentru produ­cătorii de automobile decât a fost vreodată. Pe un PCB, circuitele integrate au cea mai mare fiabilitate. Alte componente, inclusiv oscilatoarele de cristal, scad sub acest nivel de referință. În schimb, dispozitivele MEMS cresc fiabilitatea oscilatoarelor la nivelul circuitelor integrate, ceea ce reprezintă un mare beneficiu pentru clienții auto. Aplicații precum conducerea autonomă necesită cel mai înalt nivel de fiabilitate, astfel încât soluția cu oscilator MEMS devine alegerea convingătoare pentru furnizorii auto. Dacă există vreo ezitare cu privire la trecerea de la oscilatoarele cu cristal la oscilatoarele MEMS, stabilitatea crescută a frecvenței, economisirea spațiului, domeniul larg al temperaturii de funcționare și rezistența la șoc și vibrații înclină balanța către oscilatoarele MEMS. Datorită acestor avantaje, tot mai mulți producători de automobile adoptă noua tehnologie de oscilatoare MEMS.

Autor:  Song Li, Microchip Technology

Microchip Technology   |    https://www.microchip.com

Sigla-Microchip

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre