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MEMS的时序解决方案提高了智能仪表的性能和可靠性

MEMS的时序解决方案提高了智能仪表的性能和可靠性

 

MEMS(微电子机械系统)定时是提高计量设备可靠性和性能的新技术之一。该设备需要具有稳定频率的稳健时序组件,以提供精确的时钟和与时钟源的同步。由于MEMS基组件的固有稳健性和弹性,该技术迅速取代传统的石英元件。除了增强的可靠性之外,MEMS时序还提供灵活的专用功能,可提高系统性能,缩短交付周期并降低成本。

 

MEMS振荡器更具弹性和可靠性

 

智能电表用于各种环境,并且经常在恶劣条件下工作,具有非常高的温度和高等级的噪音,振动或冲击。为了多年的可靠运行,以米为单位的计时部件必须具有极强的弹性。MEMS谐振器与石英相比具有优势,因为由于其设计和更小的尺寸(质量),它们本质上更加坚固耐用。与石英供应商不同,SiTime拥有内部模拟设计经验,开发振荡器IC,采用多种技术来提高弹性和性能。凭借超强健的MEMS谐振器和先进的模拟专业技术,SiTime已经开发出来超高质量的产品,并在超过六年的出货量中没有出现MEMS现场故障。SiTime是唯一一家为所有生产产品提供终身保修的定时公司。

 

SiTime MEMS振荡器提供以下功能。

·高工作温度 - 在MHz振荡器和105℃kHz振荡器中高达125°C

·在整个温度范围内具有出色的频率稳定性

·在<1 FIT率(11.4亿小时MTBF)时具有更高的可靠性 - 比石英振荡器好30倍

·抗震动(70克振动) - 比石英振荡器高30倍

·抗冲击(50,000克冲击) - 比石英振荡器高25倍

·低电磁敏感性(EMS) - 比石英振荡器好54倍

·对电源噪声敏感度低(PSNS) - 比石英SAW振荡器好3倍

MEMS振荡器抗冲击和振动

冲击和振动力会降低石英振荡器的性能并导致其失效。石英晶体谐振器是悬臂式结构,可能非常敏感并易于损坏,导致相位噪声和振动抖动增加,以及来自震动的频率尖峰。

相比之下,MEMS谐振器的振动较小,因为它们的质量较低,从而减少了由振动引起的加速度施加到谐振器的力。 SiTime MEMS谐振器是一种刚性结构,它以平面振动的方式进行面内振动,这种几何形状具有固有的抗振动能力。另外,SiTime的谐振器结构是自补偿的。当机械力导致谐振器沿给定方向移动时, 向相反方向移动以产生抵消效应并使频率偏差最小化。

为了模拟真实世界中器件的性能,SiTime已经在包括正弦振动(如下所示),随机振动和使用标准化测试方法的冲击影响等各种条件下测试了类似规格的MEMS和石英振荡器。要了解更多关于测试方法和测量结果的信息,请参阅SiTime应用笔记MEMS和Quartzbased振荡器的冲击和振动性能比较。

 

 

1:振荡器对正弦振动的敏感度

ppb / g表示的振动灵敏度或灵敏度表示由加速力引起的频率变化。 图1描绘了以ppb / g为单位的正弦振动引起的噪声毛刺,以证明与基于石英的3次谐波和SAW振荡器(顶部和中间阴谋/线)相比,不同频率下SiTime MEMS振荡器(较低的阴谋/线)。

 

 

SiTime的高温MEMS器件采用小型塑料2016 SMD或SOT23封装提供0.1ppb / g的性能。如图2所示,石英器件必须使用大型专用封装来实现低灵敏度。

 

MEMS振荡器对电磁力和电源噪声非常敏感

电磁敏感度(EMS)是工业应用中的一个重要考虑因素,因为EM能量会显着影响振荡器的性能。电动机的开关动作可能是瞬态干扰(电磁脉冲)的主要来源。电源和其他电子元件也可以发出EM能量,产生噪声杂散和降低时钟信号。

具有良好设计的模拟电路的MEMS振荡器对EM噪声更具有免疫力。石英振荡器封装上的金属盖并不总是能够提供足够的EM保护,或保证良好的EMS性能。EMS性能更依赖于内部谐振器的阻抗和耦合机制以及振荡器的模拟电路设计。基于标准的测试表明SiTime振荡器的性能优于其他时钟设备,如图3所示。

 

3:各种振荡器的平均EM诱导相位噪声杂散

除了外部EMI之外,系统中的电源可能是噪声的主要来源,这对系统性能不利。电源开启和关闭时,电源噪声会放大。大部分噪声可以通过无源滤波器和去耦电容滤除。然而,一些噪声仍然存在,而地板反弹等电路板问题会对时钟抖动产生负面影响。电源噪声灵敏度(PSNS)是模拟电路设计中使用的一个参数,它提供了一个电路对电源噪声有多强大的指示。测试结果显示,SiTime的PSNS比石英器件要好得多,包括石英表面声波(SAW)振荡器,这些振荡器专为满足高频率,低抖动要求而设计。

4显示了积分相位抖动与50mV峰值电源噪声的电源开关噪声频率的函数关系,比较了带有SiTime MEMS振荡器的SAW振荡器的结果。如图所示,SiTime的MEMS振荡器抖动在几乎所有噪音频率与典型的石英振荡器公司不同,SiTime为其MEMS振荡器设计了模拟电路。 SiTime设备使用先进的模拟设计技术,包括PSNS电路来保护振荡器免受电源引起的抖动。

 

4:作为电源开关噪声频率的函数,SiTime MEMS(下行)和SAW振荡器(上行)存在50 mV peaktopeak电源噪声时的相位抖动。

有关测试方法和EM诱导相位噪声和电源引起的相位抖动结果的更多详细信息,请参阅SiTime应用笔记MEMS和Quartzbased振荡器的电磁敏感度比较。

MEMS振荡器在温度范围内表现出更好的频率稳定性。

工业设备在各种环境中运行,并且通常在宽温度范围内运行 MEMS振荡器在整个温度范围内提供高度稳定的时钟信号。例如,采用TempFlat™技术的SiTime基于MEMS的32 kHz计时设备在室温和整个温度范围内都表现出出色的频率稳定性。

 

 

5a显示了基于SiT1532 MEMS的32.768kHz振荡器的频率稳定性与温度特性曲线。工业温度(<100 PPM pp)的SiT1532规格限制以蓝色虚线表示。使用石英基音叉型XTAL的32.768 kHz振荡器的典型规格限制也以红色曲线显示。图5b显示了SiT1552基于MEMS的温度补偿振荡器的频率稳定性,这是工厂校准(修剪)在多个频率点,以确保温度非常严格的稳定性。

基于MEMS的32 kHz振荡器和32 kHz TCXO

 

 

基于MEMS的低功耗,高性能,低振动灵敏度(0.1 ppb / g)振荡器。

 

 

基于MEMS的高温,低振动灵敏度(0.1 ppb / g)振荡器

 

 

具有集成MEMS谐振器的基于MEMS的时钟发生器

 

 

MEMS时序封装样式和尺寸

如上述表格所示,SiTime计时产品提供一系列选项,包括封装类型和尺寸以满足应用需求。

·Dropin替代石英:SiTime的工业标准QFN塑料封装(2012,2016,2520,3225,5032和7050)与石英器件引脚兼容。 由于这些封装符合常见的石英振荡器PCB焊盘布局,如果将MEMS振荡器用作石英器件的替代品,则不需要更改电路板设计。

·较高的板级可靠性:SiTime的MHz产品采用SOT235封装,封装用于需要更高焊点可靠性的应用。这些含铅封装还具有低成本光学(无X射线)焊点检测的优点。

·超小型:2012年QFN封装和超小型封装提供32 kHz振荡器

1508(1.5 x0.8 x 0.6H mm)CSP(芯片级封装)。

 

MEMS振荡器是可编程的

SiTime时序解决方案采用可编程架构设计。各种规格都经过工厂编程,可在非常短的交付周期内订购并交付,为设计人员提供了极其广泛的可配置选项。例如,输出频率可以在宽工作范围内指定,精确度为六位小数。SiTime器件具有诸如可编程驱动强度等特殊功能来控制上升和下降时间。此功能可以让设计人员更改输出边缘速率,可以降低系统内的EMI。

此外,SiTime MHz振荡器特性可由系统设计人员在他们自己的实验室中使用现场可编程振荡器进行编程,Time Machine II™是一种低成本MEMS振荡器编程器。该编程器可以快速配置振荡器并创建即时采样。由于SiTime振荡器与石英封装兼容,因此可以在设计师开发原型时替换石英器件。

 

总结

智能电表通常经受从极端温度到高水平振动和电源感应噪声的各种操作环境。参考计时设备必须在恶劣条件和非常长时间的条件下符合其规格。硅MEMS振荡器比石英振荡器更可靠。测试数据表明,SiTime的MEMS振荡器在受到振动,机械冲击和EMI影响时性能优于石英振荡器。

另外,SiTime振荡器具有更多的功能和供应链优势。SiTime时序产品的可编程性提供了设计灵活性和快速交货时间 - 这是石英制造商无法提供的组合。SiTime振荡器是智能电表等应用的绝佳选择。

 

 

 


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