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MEMS振蕩器實現更小更低功耗的物聯網和可穿戴設備

瀏覽:1319次  發布時間:2018-04-26 11:14:32
關鍵詞標簽: MEMS振蕩器互聯網穿戴設備32.768kHz低功耗
導讀:隨著物聯網不斷擴大,電池供電設備越來越小,SiTime的超小型,低功耗,低頻率的基于MEMS的振蕩器提供了最佳的時序解決方案,并實現了以前無法用大體積,不太精確的石英產品實現的新產品。

互聯網連接設備或物聯網(IoT)的爆炸性增長是由網絡中人員,設備和數據的融合所推動的。 隨著產品從筆記本電腦過渡到口袋到身體,未來的增長將受到可穿戴技術的強烈影響。 活動追蹤者每年運送的單位數量領先于該部分,其次是智能手表和醫療監視器/設備,以及可佩帶照相機和智能眼鏡。MEMS和傳感器技術的進步,無線連接和新的節電功能使這些器件成為可能。


可穿戴設備利用新的計時技術
所有電子產品都需要一個或多個定時設備,具體取決于系統中的處理器,分區和各種功能。 傳統上,32.768 kHz晶振和低功耗MHz石英振蕩器已用于實現電池供電電子系統中的時鐘功能。 一類新的低電流,低頻1 Hz至32.768 kHz MEMS振蕩器現在優于無處不在的32 kHz晶振時鐘.

小尺寸和低功耗在物聯網應用和可穿戴設備中至關重要。許多可穿戴設備屬于消費類別,成本也是一個重要因素。MEMS時序技術的創新正在為新的可穿戴應用的空間和功率節省做出重大貢獻,并提高可靠性和成本.


MEMS時序解決方案的主要優勢包括:

?占地面積較小
?1.5 x 0.8毫米CSP的最小32 kHz占位面積; 比石英小80%
?振蕩器輸出驅動多個負載并減少組件數量
?與石英XTAL相比,精度更高
?32 kHz XO在整個溫度范圍內精確到2到3倍; 25°C時<10 ppm,超過100 ppm
?32 kHz TCXO在整個溫度范圍內的精確度可達30至40倍; 超過5ppm
?功耗更低:比XTAL + SoC振蕩器低30-50%
?32 kHz TCXO將系統睡眠模式功率降低至50%; 5 ppm精度意味著更少依賴網絡計時更新
?傳感器接口的1 Hz至32 kHz可編程頻率
?更有彈性; 50倍的抗沖擊和振動

所有硅MEMS時序解決方案

與基于石英的器件不同,硅MEMS振蕩器采用現代封裝技術。 MEMS振蕩器由一個安裝在高性能可編程模擬振蕩器IC頂部的MEMS諧振器芯片組成,該芯片被模制成標準的低成本塑料SMD封裝,其足跡與石英器件兼容。 為了支持超小型應用的空間需求,SiTime MEMS振蕩器采用超小型CSP(芯片級封裝)。 MEMS振蕩器基于可編程架構,允許定制包括頻率,電源電壓和其他功能在內的功能。
通過整合小型化,更小的封裝尺寸和電路板布局的靈活性
SiTime振蕩器提供更高的集成度,新的封裝選項和其他可減小尺寸的功能。SiT15xx 32 MEMS時序解決方案旨在取代空間和功耗至關重要的移動,物聯網和可穿戴應用中的傳統石英晶體。這些器件采用2.0 x 1.2 mm(2012)SMD封裝,適用于需要晶體(XTAL)諧振器兼容性的設計。 SiT15xx 2012振蕩器在兩個大XTAL焊盤之間的中心區域有電源(Vdd)和地(GND)引腳,如圖1b所示。

對于更小的尺寸,SiT15xx器件采用CSP封裝(圖1a),與現有的2012年SMD晶體封裝相比,占板面積減少了80%,比1610(1.6 x 1.0mm)XTAL封裝小60%。作為SiTime制造工藝的結果,另一種選擇是將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。該選件消除了外部時序元件,并提供最高水平的集成度和尺寸減小。由于晶體諧振器的限制,石英供應商無法提供CSP或集成解決方案。

圖1:與石英XTAL相比,32 kHz MEMS XO和TCXO的封裝尺寸和引腳位置
與石英晶體不同,SiT15xx輸出直接驅動到芯片組的XTAL-IN引腳,無需輸出負載電容,如圖2所示。由于振蕩器可以通過走線驅動時鐘信號,因此無需將其放置在芯片組附近。 此功能與超薄外形(0.55毫米高)相結合,可實現電路板布局的靈活性和額外的空間優化。 除了消除外部負載電容,SiT15xx器件還具有特殊的電源濾波功能,無需外部Vdd旁路去耦電容,進一步簡化了電路板設計和微型化。 內部電源濾波器旨在抑制高達±50 mVpp至5 MHz的噪聲。

圖2:與石英XTAL和所需電容器相比,32 kHz MEMS XO和TCXO的總占用空間


通過低電流消耗延長電池壽命
低頻率,低功耗的32 kHz計時設備廣泛用于設備持續開啟以保持時間或控制睡眠模式的移動設備。這些低頻振蕩器還用于對諸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等事件進行計時,或對定時基準同步執行短時間系統喚醒。

傳統上,系統通過將音叉型或AT切石英晶體連接至片上穿孔振蕩器電路來產生32kHz時鐘信號。這些石英時間保持振蕩器始終處于開啟狀態,并持續吸收幾個微安。SiTime的SiT15xx 32 kHz MEMS振蕩器的電流消耗不到微安級,可以運行在1.2至3.63V范圍內的一系列穩壓或不穩壓電源電壓。 圖3顯示了一個SiT153x振蕩器在供電和溫度范圍內的拉低小于1μA。
圖3:SiT153x在電源和溫度下的吸收小于1μA

測量頻率穩定性
與圖4所示相比,32 kHz MEMS時序器件的溫度系數與石英晶體相比非常平坦。SiT15xx振蕩器經過校準(修整),以確保室溫下頻率穩定性低于10 PPM,且小于100 PPM 在整個-40至+ 85°C的溫度范圍內。相反,石英晶體具有經典的音叉拋物線溫度曲線,其具有25°C的周轉點,如圖4中的紅線所示。

圖5繪出了32 kHz MEMS TCXO的頻率穩定性。在這些器件中,溫度系數通過主動溫度校正電路進行校準并在溫度范圍內進行校正。其結果是一個32 kHz TCXO,溫度范圍內的頻率變化小于5 ppm。這種低頻率變化導致極其準確的時鐘轉化為顯著的節能。具有更高的準確性,無線系統對網絡計時更新的依賴性降低,并可長時間處于睡眠模式。


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狀態下關閉功耗最高的功耗模塊來降低功耗。但是,系統必須喚醒并定期與網絡通信。更高的頻率穩定度使器件能夠長時間保持低功耗狀態或睡眠狀態,從而顯著節省功耗。

許多可穿戴設備不斷收集數據,通過互聯網集線器設備(如智能手機)將其壓縮并上傳到云端。該上傳以短暫的突發傳輸,持續幾毫秒,然后設備進入休眠狀態以節省電力。循環休眠情景是電池供電的設備的典型情況,其中設備核心在典型地在2至10秒范圍內的稱為“休眠時間”的預設時間關閉,并且在短突發期間需要傳輸數據時喚醒。連接事件是設備的某些功能模塊被喚醒并在短時間內處于活動狀態的“開啟”時間。

功耗與“開啟”時間與設備在“睡眠”狀態下花費的時間的比例成正比。用于計時睡眠狀態的32 kHz時鐘的睡眠時鐘準確度(SCA)對電池壽命有直接影響。 睡眠時鐘不準確會導致無線電接收器(RX)更早打開并保持更長時間以避免丟失來自主設備的數據包。以PPM測量的時鐘不準確性會導致早期接通時間(ΔT),如圖6所示。ΔT=(SCA)*(睡眠時間)。
圖6:提早開啟時間(或窗口加寬)受時鐘精度影響,并導致功率損失






下表顯示更嚴格的從時鐘精度減少了早期開啟時間,從而降低功耗。
SiT1552基于MEMS的TCXO在溫度范圍內的頻率變化小于5 ppm,比石英晶體更為準確。 這種精確度減少了開啟時間,并允許系統保持睡眠模式。使用SiT1552,系統設計人員只有在需要時才能利用壓縮和短時突發傳輸數據,同時使設備長時間處于最低功耗睡眠狀態,并可能實現兩倍的電池壽命延長。 圖7顯示了通過使用5 ppm 32 kHz TCXO與180 ppm 32 kHz石英晶體諧振器相比,延長了電池使用壽命。

圖7:與石英XTAL諧振器相比,通過使用MEMS TCXO的電池壽命

通過可編程功能延長電池壽命

SiT15xx器件中的模擬振蕩器IC支持多種功能,包括低噪聲保持電路,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用于從32.768 kHz到1 Hz的器件校準和頻率編程。降低輸出頻率的能力顯著降低了電流消耗。由于低頻諧振器的物理尺寸限制,Quartz XTAL不提供低于32.768 kHz的頻率。采用較低頻率的選項,SiT15xx系列在參考時鐘始終運行的電池供電應用中實現了新的架構可能性。

圖6:獨特的NanoDrive?輸出擺幅可編程至200 mV,以最大限度地降低功耗


與標準振蕩器不同,SiT15xx振蕩器可以通過振蕩器高度可編程的輸出驅動器與片上32 kHz振蕩器電路串聯。 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振蕩器電路的不同實現方式,如圖6所示。該輸出擺幅在工廠可編程范圍內,從最低功耗的全擺幅降至200 mVpp。 降低輸出頻率和輸出驅動電流的能力顯著降低了輸出負載電流(C * V * F)。有關載荷計算的詳細信息和示例,請訪問SiT15xx數據表,網址為www.sitime.com/products/32-khz-oscillators。

MEMS的耐用性要強50倍

根據其應用的性質,物聯網和可穿戴設備可用于各種環境,并可能經受頻繁且極端的機械沖擊和振動。當在惡劣的環境中工作時,石英振蕩器會降級并且不符合數據表規格。 一些石英振蕩器對正弦振動和沖擊特別敏感,并且會表現出顯著的頻率變化。SiT15xx器件架構相對于石英晶片而言,其環境因素具有更高的可靠性和彈性。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能夠很好地抵抗振動和沖擊等外力。

有關MEMS振蕩器彈性和可靠性的更多詳細信息,請參見應用筆記:http://www.sitime.com/support/application-notes。

應用和設計示例

在可穿戴市場中,產品的功能性不斷增加,同時它們必須消耗更少的電力和空間。 32 kHz MEMS時序解決方案可用于真正的每秒脈沖(pps)計時,RTC參考時鐘和電池管理計時,以延長電池壽命和縮小尺寸。

圖7顯示了典型可穿戴設備中的時鐘需求。一個低功耗的32位MCU運行在一個16 MHz晶體上,為內核和外設提供時鐘,一個32 kHz晶振用于實時時鐘。MCU將數據發送到連接芯片,該芯片運行用于睡眠時鐘定時的32 kHz晶振。

圖7:典型的可穿戴式計時架構

圖8顯示了一種設計,其中可編程1Hz至32 kHz SiT1534 MEMS振蕩器用于傳感器應用,32 kHz MEMS SiT1532參考時鐘驅動MCU中的RTC。 在此設計中,通過使用1.5 x 0.8 mm CSP振蕩器,電路板空間減少到不到一半。

圖9顯示了兩個芯片需要32.768 kHz定時解決方案的架構; 一個是微控制器的參考時鐘,另一個是藍牙芯片的休眠時鐘。在這個設計中,一個微型1.5 x 0.8 mm CSP的單個MEMS時序器件(SiT1532振蕩器或SiT1552 TCXO)驅動兩個負載。由于XO / TCXO可驅動兩個負載,因此一個32 kHz MEMS器件將取代兩個32 kHz石英XTAL。占地面積比使用2012年SMD封裝中的兩個石英XTAL和四個所需負載電容器的設計小八倍。與BLE芯片內部32kHz RC整個溫度范圍相比,此設計還可節省大量功率,SiT1552的穩定性提高100倍。

概要

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時序技術是實現更小尺寸,更低功耗和更高穩健性的關鍵支持技術之一。

基于MEMS的32 kHz小型XO / TCXO提供了一種替代以往設計中使用的180至200 ppm石英晶體時鐘源的方案。

MEMS時序通過以下方式減少了占位
?更小,獨特的軟件包
?更高的集成度可減少組件數量
?電路板布局靈活
MEMS時序通過以下方式降低功耗:
?較低的內核電流消耗
?更高的頻率穩定度,可延長睡眠狀態
?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
?更強的抗震動和振動誤差


隨著物聯網不斷擴大,電池供電設備越來越小,SiTime的超小型,低功耗,低頻率的基于MEMS的振蕩器提供了最佳的時序解決方案,并實現了以前無法用大體積,不太精確的石英產品實現的新產品。

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