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[经验] SiTime MEMS振荡器:实现更小更低功耗在物联网和可穿戴设备

2019-9-20 09:05:04  157 可穿戴设备 物联网
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互聯網連接設備或物聯網(IoT)的爆炸性增長是由網絡上人員,設備和數據的融合驅動的。隨著產品從筆記本電腦過渡到口袋到身體,可穿戴技術將極大地影響未來的增長。 活動追踪器在每年出貨的單位數量方面處於領先地位,其次是智能手錶和醫療監視器/設備,以及可穿戴相機和智能眼鏡。MEMS和傳感器技術的進步,無線連接和新的節能功能使這些設備得以實現。
可穿戴設備利用新的計時技術:



MEMS定時解決方案的主要優點包括:
  • 佔地面積更小
  • 1.5 x 0.8mm CSP中最小32 kHz的佔位面積; 比石英小80%
  • 振盪器輸出可驅動多個負載並減少組件數量
  • 與石英XTAL相比,精度更高
  • 32 kHz XO在整個溫度範圍內精確度為2至3倍; 在25°C時
  • 32 kHz TCXO在整個溫度範圍內精確度為30至40倍; 溫度超過5 ppm
  • 功耗更低:與XTAL + SoC振盪器相比,功耗降低30%至50%
  • 32 kHz TCXO可將系統睡眠模式功耗降低至50%; 5 ppm的準確度意味著減少對網絡計時更新的依賴
  • 傳感器接口的可編程頻率範圍為1 Hz至32 kHz
  • 更有彈性; 抗衝擊和振動的能力提高50倍
所有矽MEMS定時解決方案
與石英基器件不同,矽MEMS振盪器採用現代封裝技術。MEMS振盪器由安裝在高性能可編程模擬振盪器IC頂部的MEMS諧振器芯片組成,該IC模製成標準的低成本塑料SMD封裝,其腳印與石英器件兼容。為了滿足超小型應用的空間要求,Sitime MEMS振盪器採用超小型CSP(芯片級封裝)。MEMS振盪器基於可編程架構,允許定制包括頻率,電源電壓和其他功能在內的功能。
通過集成實現小型化,更小的封裝尺寸和電路板佈局靈活性:
SiTime振盪器提供更高的集成度,新的封裝選項和其他功能,可以減小尺寸。SiT15xx 32 MEMS定時解決方案旨在取代空間和功率至關重要的移動,物聯網和可穿戴應用中的傳統石英晶體。這些器件採用2.0 x 1.2 mm(2012)SMD封裝,適用於需要晶體(XTAL)諧振器兼容性的設計。SiT15xx 2012振盪器在兩個大型XTAL焊盤之間的中心區域有電源(Vdd)和接地(GND)引腳,如圖1b所示。

對於更小的尺寸,SiT15xx器件採用CSP封裝(圖1a),與現有的2012 SMD晶體封裝相比,可減少高達80%的佔位面積,比1610(1.6 x 1.0 mm)XTAL封裝小60%。由於SiTime的製造工藝,另一個選擇是能夠將MEMS諧振器芯片與封裝內的SOC,ASIC或微處理器芯片集成在一起。此選項消除了外部定時組件,並提供最高級別的集成和尺寸減小。由於晶體諧振器的限制,石英供應商無法提供CSP或集成解決方案。
                                 
與石英晶體不同,SiT15xx輸出直接驅動芯片組的XTAL-IN引腳,無需輸出負載電容,如圖2所示。由於振盪器可以通過走線驅動時鐘信號,因此不需要將其放置在芯片組附近。該特性與超薄型(0.55 mm高)相結合,可實現電路板佈局的靈活性和額外的空間優化。除了省去外部負載電容外,SiT15xx器件還具有特殊的電源濾波功能,無需外部Vdd旁路去電容,進一步簡化了電路板設計和小型化。內部電源濾波旨在通過5 MHz抑制高達±50 mVpp的噪聲。
                                      

通過低電流消耗延長電池壽命
低頻,低功率32kHz計時裝置廣泛用於移動裝置中,其中裝置持續接通以保持或控制睡眠模式。這些低頻振盪器還用於定時事件,例如電池供電設備中使用的電源管理IC(PMIC)中的監視和控制功能,或用於執行定時參考同步的短系統喚醒。

傳統上,系統通過將音叉型或AT切割石英晶體連接到片上穿孔振盪器電路來產生32 kHz時鐘信號。 這些石英計時振盪器始終處於開啟狀態,並連續吸取幾微安。SiTime的SiT15xx 32 kHz MEMS振盪器吸收的電流小於一微安,可以在1.2至3.63V範圍內調節一系列穩壓或非穩壓電源電壓。圖3描繪了SiT153x振盪器在電源和溫度下的電流小於1μA。
                                                         

測量頻率穩定性:
與石英晶體相比,32 kHz MEMS定時器件的溫度係數非常平坦,如圖4所示.SiT15xx振盪器經過校準(修整),可確保室溫下的頻率穩定性低於10 PPM且低於100 PPM 在-40至+ 85°C的整個溫度範圍內。相比之下,石英晶體具有經典的音叉拋物線溫度曲線,具有25°C的轉換點,如圖4中的紅線所示。

圖5描繪了32 kHz MEMS TCXO的頻率穩定性。在這些器件中,溫度係數通過有源溫度校正電路進行校準並在整個溫度範圍內進行校正。 結果是32 kHz TCXO,頻率隨溫度變化小於5 ppm。這種低頻率的頻率變化可以產生非常精確的時鐘,從而節省大量功率。憑藉更高的準確性,無線系統不再依賴於網絡計時更新,並且可以在更長的時間段內保持睡眠模式。
                              

通過更好的頻率穩定性延長電池壽命:
頻率穩定性,時鐘在電壓和溫度上的穩定性,轉化為節能。許多移動設備通過在非活動時關閉具有最高電流消耗的功能塊來降低功耗。 但是,系統必須喚醒並定期與網絡通信。更高的頻率穩定性允許器件長時間保持在低功耗狀態或睡眠狀態,從而顯著節省功率。

許多可穿戴設備通過智能手機等互聯網集線器設備不斷收集數據,壓縮並上傳到雲端。此上傳以短暫的突發傳輸,持續幾毫秒,然後設備進入休眠狀態以節省電量。 循環睡眠場景是電池供電設備的典型情況,其中設備核心被關閉一段稱為“休眠時間”的預設時間,通常在2到10秒的範圍內,並且當它需要在短脈衝串期間傳輸數據時被喚醒。 連接事件是“開啟”時間,在此期間設備的某些功能塊喚醒並在短時間內保持活動狀態。

功耗與“開啟”時間與設備在“睡眠”狀態下花費的時間之比成比例。並且用於計時睡眠狀態的32 kHz時鐘的睡眠時鐘精度(SCA)對電池壽命有直接影響。睡眠時鐘不准確導致無線電接收器(RX)提前開啟並保持更長時間以避免丟失來自主設備的數據包。以PPM測量的時鐘誤差導致早期接通時間(ΔT),如圖6所示.ΔT=(SCA)*(睡眠時間)。
                                                     
下表顯示更嚴格的從時鐘精度可縮短早期開啟時間,從而降低功耗。

        基於MEMS的SiX1552 TCXO在溫度範圍內頻率變化小於5 ppm,是一種比石英晶體更精確的替代方案。這種準確性縮短了開啟時間並允許系統保持睡眠模式。使用SiT1552,系統設計人員可以僅在需要時利用短脈衝進行壓縮和傳輸數據,同時將器件長時間保持在最低功耗睡眠狀態,並可能實現高達兩倍的電池壽命延長。圖7顯示了與180 ppm 32 kHz石英晶體諧振器相比,使用5 ppm 32 kHz TCXO所獲得的電池壽命延長。

              
通過可編程功能延長電池壽命:

      
SiT15xx器件中的模擬振盪器IC支持多種功能,包括低噪聲維持電路,超低功耗精密PLL和超低功耗可編程輸出驅動器。具有亞赫茲分辨率的小數N分頻PLL用於器件校準和頻率編程,範圍從32.768 kHz到1 Hz。降低輸出頻率的能力顯著降低了電流消耗。由於低頻諧振器的物理尺寸限制,石英XTAL不提供低於32.768 kHz的頻率 SiT15xx系列具有更低的頻率選項,可在參考時鐘始終運行的電池供電應用中實現新的架構可能性。
                           

        與標準振盪器不同,SiT15xx振盪器可通過振盪器的高度可編程輸出驅動器與片內32 kHz振盪器電路串聯工作。輸出驅動器可以產生各種共模電壓和擺幅電平,以匹配片上32 kHz振盪器電路的不同實現,如圖8所示。此輸出擺幅可在工廠編程,從全擺幅到最低功率200 mVpp。 降低輸出頻率和輸出驅動器電流的能力顯著降低了輸出負載電流(C * V * F)。有關負載計算的詳細信息和示例,請參見SiT15xx數據表,網址為www.sitime.com/products/32-khz-oscillators

MEMS的穩健性要高50倍:

        根據其應用的性質,物聯網和可穿戴設備可用於各種環境,並可承受頻繁和極端的機械衝擊和振動。在惡劣環境中運行時,石英振盪器會降級並且不符合數據表規範。一些石英振盪器對正弦振動和衝擊特別敏感,並且將表現出顯著的頻率變化。與石英相比,SiT15xx器件架構有助於提高環境因素的可靠性和彈性。非常小的質量(比石英諧振器小3000倍)和SiTime諧振器的結構設計使它們對振動和衝擊等外力非常不敏感。

有關MEMS振盪器的彈性和可靠性的更多詳細信息,請參閱應用筆記:
http://www.sitime.com/support/application-notes。

應用和設計實例:

        
在可穿戴市場中,產品的功能正在增加,同時它們必須消耗更少的功率和空間。32 kHz MEMS定時解決方案可用於真正的每秒脈衝(pps)計時,RTC參考時鐘和電池管理計時,從而延長電池壽命並縮小占用空間。

        圖9顯示了典型可穿戴設備的時鐘需求。低功耗32位MCU採用16 MHz晶振為內核和外設提供時鐘,32 kHz晶振用於實時時鐘。MCU將數據發送到連接芯片,連接芯片使用32 kHz晶振,用於睡眠時鐘定時。
                                 

        圖10顯示了一種設計,其中可編程1Hz至32kHz SiT1534 MEMS振盪器用於傳感器應用,32 kHz MEMS SiT1532參考時鐘驅動MCU中的RTC。在這種設計中,通過使用1.5 x 0.8 mm CSP振盪器,電路板空間減少到不到一半。

        圖11顯示了兩個芯片需要32.768 kHz時序解決方案的架構; 一個是微控制器的參考時鐘,另一個是BlueTooth芯片的睡眠時鐘。在這種設計中,單個MEMS定時器件(SiT1532振盪器或SiT1552 TCXO)採用1.5 x 0.8 mm的小型CSP驅動兩個負載。 由於XO / TCXO可以驅動兩個負載,因此一個32 kHz MEMS器件將取代兩個32 kHz石英XTAL。佔地面積比2012年SMD封裝中使用兩個石英XTAL以及四個所需負載電容的設計小八倍。與BLE芯片的內部32 kHz RC溫度相比,這種設計還可以節省大量功率,SiT1552的穩定性提高100倍。
                              

摘要:

        基礎技術的進步推動了快速增長的可穿戴和物聯網領域的創新。新的MEMS定時技術是關鍵支持技術之一,可實現更小尺寸,更低功耗和更高穩健性的趨勢。

        基於MEMS的小型32 kHz XO / TCXO提供了替代過去設計中使用的180200 ppm石英晶體時鐘源的替代方案。

MEMS
時序通過以:

  • 更小巧,獨特的包裝
  • 更高的集成度,減少組件數量
  • 電路板佈局靈活性
MEMS定時通過以下方式降低功耗:
  • 降低核心電流消耗
  • 更高的頻率穩定性,可實現更長的睡眠狀態
  • 可編程頻率
  • 可編程輸出擺幅電壓

MEMS時序通過以下方式提高穩健性
  • 更強的抗衝擊和振動誤差
        隨著物聯網通過越來越小的電池供電設備不斷擴展,SiTime的超小型,低功耗,低頻率基於MEMS的振盪器提供了最佳的定時解決方案,並實現了以前無法通過龐大,精度較低的石英產品實現的新產品。

※ 與SiTime代理商:品佳集團SiTime PM或業務聯繫,以獲得SiT15xx的樣品。

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