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MEMS振荡器实现更小更低功耗的物联网和可穿戴设备

MEMS振荡器实现更小更低功耗的物联网和可穿戴设备

 

互联网连接设备或物联网(IoT)的爆炸性增长是由网络中人员,设备和数据的融合所推动的。 随着产品从笔记本电脑过渡到口袋到身体,未来的增长将受到可穿戴技术的强烈影响。 活动追踪者每年运送的单位数量领先于该部分,其次是智能手表和医疗监视器/设备,以及可佩带照相机和智能眼镜。MEMS和传感器技术的进步,无线连接和新的节电功能使这些器件成为可能。

 

可穿戴设备利用新的计时技术
所有电子产品都需要一个或多个定时设备,具体取决于系统中的处理器,分区和各种功能。 传统上,32.768 kHz晶振和低功耗MHz石英振荡器已用于实现电池供电电子系统中的时钟功能。 一类新的低电流,低频1 Hz至32.768 kHz MEMS振荡器现在优于无处不在的32 kHz晶振时钟

小尺寸和低功耗在物联网应用和可穿戴设备中至关重要。许多可穿戴设备属于消费类别,成本也是一个重要因素。MEMS时序技术的创新正在为新的可穿戴应用的空间和功率节省做出重大贡献,并提高可靠性和成本

 

MEMS时序解决方案的主要优势包括:

•占地面积较小
•1.5 x 0.8毫米CSP的最小32 kHz占位面积; 比石英小80%
•振荡器输出驱动多个负载并减少组件数量
•与石英XTAL相比,精度更高
•32 kHz XO在整个温度范围内精确到2到3倍; 25°C时<10 ppm,超过100 ppm
•32 kHz TCXO在整个温度范围内的精确度可达30至40倍; 超过5ppm
•功耗更低:比XTAL + SoC振荡器低30-50%
•32 kHz TCXO将系统睡眠模式功率降低至50%; 5 ppm精度意味着更少依赖网络计时更新
•传感器接口的1 Hz至32 kHz可编程频率
•更有弹性; 50倍的抗冲击和振动

 

所有硅MEMS时序解决方案

与基于石英的器件不同,硅MEMS振荡器采用现代封装技术。 MEMS振荡器由一个安装在高性能可编程模拟振荡器IC顶部的MEMS谐振器芯片组成,该芯片被模制成标准的低成本塑料SMD封装,其足迹与石英器件兼容。 为了支持超小型应用的空间需求,SiTime MEMS振荡器采用超小型CSP(芯片级封装)。 MEMS振荡器基于可编程架构,允许定制包括频率,电源电压和其他功能在内的功能。
通过整合小型化,更小的封装尺寸和电路板布局的灵活性
SiTime振荡器提供更高的集成度,新的封装选项和其他可减小尺寸的功能。SiT15xx 32 MEMS时序解决方案旨在取代空间和功耗至关重要的移动,物联网和可穿戴应用中的传统石英晶体。这些器件采用2.0 x 1.2 mm(2012)SMD封装,适用于需要晶体(XTAL)谐振器兼容性的设计。 SiT15xx 2012振荡器在两个大XTAL焊盘之间的中心区域有电源(Vdd)和地(GND)引脚,如图1b所示。

对于更小的尺寸,SiT15xx器件采用CSP封装(图1a),与现有的2012年SMD晶体封装相比,占板面积减少了80%,比1610(1.6 x 1.0mm)XTAL封装小60%。作为SiTime制造工艺的结果,另一种选择是将MEMS谐振器芯片与封装内的SOC,ASIC或微处理器芯片集成在一起。该选件消除了外部时序元件,并提供最高水平的集成度和尺寸减小。由于晶体谐振器的限制,石英供应商无法提供CSP或集成解决方案。

 

与石英晶体不同,SiT15xx输出直接驱动到芯片组的XTAL-IN引脚,无需输出负载电容,如图2所示。由于振荡器可以通过走线驱动时钟信号,因此无需将其放置在芯片组附近。 此功能与超薄外形(0.55毫米高)相结合,可实现电路板布局的灵活性和额外的空间优化。 除了消除外部负载电容,SiT15xx器件还具有特殊的电源滤波功能,无需外部Vdd旁路去耦电容,进一步简化了电路板设计和微型化。 内部电源滤波器旨在抑制高达±50 mVpp至5 MHz的噪声。

 

通过低电流消耗延长电池寿命
低频率,低功耗的32 kHz计时设备广泛用于设备持续开启以保持时间或控制睡眠模式的移动设备。这些低频振荡器还用于对诸如电池供电设备中使用的电源管理IC(PMIC)中的监视和控制功能等事件进行计时,或对定时基准同步执行短时间系统唤醒。

传统上,系统通过将音叉型或AT切石英晶体连接至片上穿孔振荡器电路来产生32kHz时钟信号。这些石英时间保持振荡器始终处于开启状态,并持续吸收几个微安。SiTime的SiT15xx 32 kHz MEMS振荡器的电流消耗不到微安级,可以运行在1.2至3.63V范围内的一系列稳压或不稳压电源电压。 图3显示了一个SiT153x振荡器在供电和温度范围内的拉低小于1μA。

 

测量频率稳定性
与图4所示相比,32 kHz MEMS时序器件的温度系数与石英晶体相比非常平坦。SiT15xx振荡器经过校准(修整),以确保室温下频率稳定性低于10 PPM,且小于100 PPM 在整个-40至+ 85°C的温度范围内。相反,石英晶体具有经典的音叉抛物线温度曲线,其具有25°C的周转点,如图4中的红线所示。

5绘出了32 kHz MEMS TCXO的频率稳定性。在这些器件中,温度系数通过主动温度校正电路进行校准并在温度范围内进行校正。其结果是一个32 kHz TCXO,温度范围内的频率变化小于5 ppm。这种低频率变化导致极其准确的时钟转化为显着的节能。具有更高的准确性,无线系统对网络计时更新的依赖性降低,并可长时间处于睡眠模式。

 

通过更好的频率稳定性延长电池寿命

频率稳定性,时钟在电压和温度上的稳定性,转化为节能。许多移动设备通过在非活动状态下关闭功耗最高的功耗模块来降低功耗。但是,系统必须唤醒并定期与网络通信。更高的频率稳定度使器件能够长时间保持低功耗状态或睡眠状态,从而显着节省功耗。

许多可穿戴设备不断收集数据,通过互联网集线器设备(如智能手机)将其压缩并上传到云端。该上传以短暂的突发传输,持续几毫秒,然后设备进入休眠状态以节省电力。循环休眠情景是电池供电的设备的典型情况,其中设备核心在典型地在2至10秒范围内的称为“休眠时间”的预设时间关闭,并且在短突发期间需要传输数据时唤醒。连接事件是设备的某些功能模块被唤醒并在短时间内处于活动状态的“开启”时间。

功耗与“开启”时间与设备在“睡眠”状态下花费的时间的比例成正比。用于计时睡眠状态的32 kHz时钟的睡眠时钟准确度(SCA)对电池寿命有直接影响。 睡眠时钟不准确会导致无线电接收器(RX)更早打开并保持更长时间以避免丢失来自主设备的数据包。以PPM测量的时钟不准确性会导致早期接通时间(ΔT),如图6所示。ΔT=(SCA)*(睡眠时间)。

 

 

下表显示更严格的从时钟精度减少了早期开启时间,从而降低功耗。

 

 

SiT1552基于MEMS的TCXO在温度范围内的频率变化小于5 ppm,比石英晶体更为准确。 这种精确度减少了开启时间,并允许系统保持睡眠模式。使用SiT1552,系统设计人员只有在需要时才能利用压缩和短时突发传输数据,同时使设备长时间处于最低功耗睡眠状态,并可能实现两倍的电池寿命延长。 图7显示了通过使用5 ppm 32 kHz TCXO与180 ppm 32 kHz石英晶体谐振器相比,延长了电池使用寿命。

 

通过可编程功能延长电池寿命

SiT15xx器件中的模拟振荡器IC支持多种功能,包括低噪声保持电路,超低功耗精密PLL和超低功耗可编程输出驱动器。具有亚赫兹分辨率的小数N分频PLL用于从32.768 kHz到1 Hz的器件校准和频率编程。降低输出频率的能力显着降低了电流消耗。由于低频谐振器的物理尺寸限制,Quartz XTAL不提供低于32.768 kHz的频率。采用较低频率的选项,SiT15xx系列在参考时钟始终运行的电池供电应用中实现了新的架构可能性。

 

 

 

与标准振荡器不同,SiT15xx振荡器可以通过振荡器高度可编程的输出驱动器与片上32 kHz振荡器电路串联。 输出驱动器可以产生各种共模电压和摆幅电平,以匹配片上32 kHz振荡器电路的不同实现方式,如图6所示。该输出摆幅在工厂可编程范围内,从最低功耗的全摆幅降至200 mVpp。 降低输出频率和输出驱动电流的能力显着降低了输出负载电流(C * V * F)。有关载荷计算的详细信息和示例,请访问SiT15xx数据表,网址为www.sitime.com/products/32-khz-oscillators。

MEMS的耐用性要强50倍

根据其应用的性质,物联网和可穿戴设备可用于各种环境,并可能经受频繁且极端的机械冲击和振动。当在恶劣的环境中工作时,石英振荡器会降级并且不符合数据表规格。 一些石英振荡器对正弦振动和冲击特别敏感,并且会表现出显着的频率变化。SiT15xx器件架构相对于石英晶片而言,其环境因素具有更高的可靠性和弹性。非常小的质量(比石英谐振器小3000倍)和SiTime谐振器的结构设计使它们能够很好地抵抗振动和冲击等外力。

 

应用和设计示例

在可穿戴市场中,产品的功能性不断增加,同时它们必须消耗更少的电力和空间。 32 kHz MEMS时序解决方案可用于真正的每秒脉冲(pps)计时,RTC参考时钟和电池管理计时,以延长电池寿命和缩小尺寸。

7显示了典型可穿戴设备中的时钟需求。一个低功耗的32位MCU运行在一个16 MHz晶体上,为内核和外设提供时钟,一个32 kHz晶振用于实时时钟。MCU将数据发送到连接芯片,该芯片运行用于睡眠时钟定时的32 kHz晶振。

 

8显示了一种设计,其中可编程1Hz至32 kHz SiT1534 MEMS振荡器用于传感器应用,32 kHz MEMS SiT1532参考时钟驱动MCU中的RTC。 在此设计中,通过使用1.5 x 0.8 mm CSP振荡器,电路板空间减少到不到一半。

9显示了两个芯片需要32.768 kHz定时解决方案的架构; 一个是微控制器的参考时钟,另一个是蓝牙芯片的休眠时钟。在这个设计中,一个微型1.5 x 0.8 mm CSP的单个MEMS时序器件(SiT1532振荡器或SiT1552 TCXO)驱动两个负载。由于XO / TCXO可驱动两个负载,因此一个32 kHz MEMS器件将取代两个32 kHz石英XTAL。占地面积比使用2012年SMD封装中的两个石英XTAL和四个所需负载电容器的设计小八倍。与BLE芯片内部32kHz RC整个温度范围相比,此设计还可节省大量功率,SiT1552的稳定性提高100倍。

 

基础技术的进步推动了快速增长的可穿戴和物联网领域的创新。 新的MEMS时序技术是实现更小尺寸,更低功耗和更高稳健性的关键支持技术之一。

基于MEMS的32 kHz小型XO / TCXO提供了一种替代以往设计中使用的180至200 ppm石英晶体时钟源的方案。

MEMS时序通过以下方式减少了占位
•更小,独特的软件包
•更高的集成度可减少组件数量
•电路板布局灵活
MEMS时序通过以下方式降低功耗:
•较低的内核电流消耗
•更高的频率稳定度,可延长睡眠状态
•可编程频率
•可编程输出摆幅电压
MEMS时序通过以下方式提高稳健性
•更强的抗震动和振动误差


随着物联网不断扩大,电池供电设备越来越小,SiTime的超小型,低功耗,低频率的基于MEMS的振荡器提供了最佳的时序解决方案,并实现了以前无法用大体积,不太精确的石英产品实现的新产品。

 

 

 


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