高精度32.768KHz振荡器SiT1552如何助力可穿戴设备

2024-07-10 15:02:33 13 0 0

互联网连接设备,即物联网(IoT)的爆炸式增长,是由网络上的人、设备和数据的融合所推动的。随着产品从笔记本电脑到口袋再到身体的转变,可穿戴技术将对未来的增长产生强烈影响。在每年出货量方面,活动追踪器引领这一领域,其次是智能手表、医疗监测器/设备,以及可穿戴相机和智能眼镜。这些设备得益于微机电系统(MEMS)和传感器技术、无线连接以及新的节能能力的进步。


可穿戴设备利用新的定时技术


所有电子产品根据处理器、分区和系统中的各种功能,都需要一个或多个定时设备。传统上,32.768 kHz 晶体和低功率 MHz 石英振荡器一直用于在电池供电的电子系统中实现时钟功能。一类新的低电流、低频率 1 Hz 至 32.768 kHz 的 MEMS 振荡器现在相对于无处不在的 32 kHz 晶体时钟具有优势。


在物联网应用和可穿戴设备中,小尺寸和低功耗至关重要。成本也是一个重要因素,因为许多可穿戴设备属于消费品类。MEMS 定时技术的创新为新的可穿戴应用中的空间和功率节省做出了重大贡献,并提高了可靠性和降低了成本。


MEMS 定时解决方案的主要优点包括


• 更小的占位面积 

• 1.5 x 0.8mm CSP 中最小的 32 kHz 占位面积;比石英晶振小 80% 

• 振荡器输出驱动多个负载并减少元件数量 

• 与石英晶体相比精度更高 

• 32 kHz XO 在温度范围内精度提高 2 至 3 倍;在 25°C 时小于 10 ppm,在温度范围内为 100 ppm 

• 32 kHz TCXO 在温度范围内精度提高 30 至 40 倍;在温度范围内为 5 ppm 

• 更低的功耗:与 XTAL + SoC 振荡器相比降低 30%至 50% 

• 32 kHz TCXO 将系统睡眠模式功耗降低多达 50%;5 ppm 的精度意味着对网络计时更新的依赖减少 

• 1 Hz 至 32 kHz 的可编程频率用于传感器接口 

• 更具弹性;抗冲击和抗振动能力强 50 倍


全硅 MEMS 定时解决方案


与基于石英晶振的设备不同,硅 MEMS 振荡器采用现代封装技术。MEMS 振荡器由安装在高性能、可编程模拟振荡器 IC 顶部的 MEMS 谐振器芯片组成,该芯片被模制到标准低成本塑料 SMD 封装中,占位面积与石英晶振兼容。为了满足超小应用的空间要求,SiTime MEMS 振荡器提供超小型 CSP(芯片级封装)。MEMS 振荡器基于可编程架构,允许定制频率、电源电压和其他特性等功能。


通过集成实现小型化、更小的封装尺寸和电路板布局灵活性


SiTime 振荡器提供更高的集成度、新的封装选项和其他有助于减小尺寸的功能。SiT15xx 32 MEMS 定时解决方案专为在空间和功率至关重要的移动、物联网和可穿戴应用中替代传统石英晶体而设计。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 振荡器的电源(Vdd)和地(GND)引脚位于两个大 XTAL 焊盘之间的中心区域,如图 1b 所示。


为了实现更小的尺寸,SiT15xx 器件采用 CSP(图 1a),与现有的 2012 SMD 晶体封装相比,占位面积减少高达 80%,比 1610(1.6 x 1.0 mm)XTAL 封装小 60%。由于 SiTime 的制造工艺,另一个选项是能够在一个封装内将 MEMS 谐振器芯片与 SOC、ASIC 或微处理器芯片集成。此选项消除了外部定时组件,并提供了最高水平的集成和尺寸减小。由于晶体谐振器的限制,石英晶振供应商无法提供 CSP 或集成解决方案。


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图 1:32 kHz MEMS XO 和 TCXO 与石英 XTAL 的封装尺寸和引脚位置 


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,因此无需紧邻芯片组放置。此功能结合超低外形(0.55 mm 高度),实现了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外,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小型化。内部电源滤波设计用于抑制高达±50 mVpp 至 5 MHz 的噪声。  


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图 2:32 kHz MEMS XO 和 TCXO 与石英 XTAL 的总占位面积



通过低电流消耗延长电池寿命


低频、低功耗 32kHz 计时设备广泛应用于移动设备中,在这些设备中,设备持续开启以进行计时或控制睡眠模式。这些低频振荡器还用于为时间事件计时,例如电池供电设备中使用的电源管理 IC(PMIC)中的监测和控制功能,或者执行短系统唤醒以进行定时参考同步。


传统上,系统通过将音叉型或 AT 切石英晶体连接到片上皮尔斯振荡器电路来生成 32kHz 时钟信号。这些石英振荡器始终处于开启状态,并持续消耗几微安的电流。SiTime 的 SiT15xx 32kHz MEMS 振荡器消耗的电流小于一微安,并且可以在 1.2 至 3.63V 的一系列稳压或非稳压电源电压下运行。图 3 绘制了 SiT153x 振荡器在电源和温度下消耗小于 1µA 的情况。  图 3:SiT153x 在电源和温度下消耗小于 1µA。


图 3:SiT153x 在电源和温度下消耗小于 1µA  


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测量的频率稳定性


与石英晶体相比,32kHz MEMS 定时器件的温度系数在整个温度范围内极其平坦,如图 4 所示。SiT15xx 振荡器经过校准(修整),以确保在室温下频率稳定性小于 10PPM,在 -40 至 +85°C 的整个温度范围内小于 100PPM。相比之下,石英晶体具有经典的音叉抛物线温度曲线,25°C 为转折点,如图 4 中的红线所示。


图 5 绘制了 32kHz MEMS TCXO 的频率稳定性。在这些器件中,温度系数通过有源温度校正电路在温度范围内进行校准和校正。其结果是 32kHz TCXO 在温度范围内的频率变化小于 5ppm。这种低水平的频率变化导致了极其精确的时钟,从而实现了显著的节能。由于精度更高,无线系统对网络计时更新的依赖较小,并且可以在睡眠模式下保持更长时间。


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图 4:在 25°C 时,SiT1532 MEMS XO 的频率稳定性修整至<10 ppm,而石英 XTAL 在 25°C 时的温度范围内为-160 至-200 ppm      图 5:SiT1552 MEMS TCXO 的频率稳定性比石英 XTAL 精确 30 至 40 倍


通过更好的频率稳定性延长电池寿命 


频率稳定性,即时钟在电压和温度下的稳定性,可转化为节能。许多移动设备在不活动时会关闭电流消耗最大的功能模块以降低功耗。然而,系统必须唤醒并定期与网络通信。更高的频率稳定性使设备能够在其低功耗状态或睡眠状态下保持更长时间,从而显著节省电力。


许多可穿戴设备持续收集数据,压缩并通过智能手机等互联网中心设备上传到云端。这种上传是以持续几毫秒的短脉冲形式进行的,然后设备进入睡眠以节省电力。循环睡眠场景在电池供电设备中很常见,设备核心会关闭一段预设时间,称为“睡眠时间”,通常在 2 至 10 秒范围内,并在需要短时间传输数据时唤醒。连接事件是“开启”时间,在此期间设备的某些功能模块会唤醒并在短时间内保持活动。


功耗与“开启”时间与设备处于“睡眠”状态的时间之比成正比。用于定时睡眠状态的 32 kHz 时钟的睡眠时钟精度(SCA)对电池寿命有直接影响。睡眠时钟的不准确性会导致无线电接收器(RX)更早开启并保持更长时间开启,以避免错过主设备的数据包。以 ppm 衡量的时钟不准确性会导致提前开启时间(ΔT),如图 6 所示。ΔT =(SCA)*(睡眠时间)。



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图 6:提前开启时间(或窗口加宽)受时钟精度的影响,并导致功耗损失 


下表显示,更严格的从时钟精度可减少提前开启时间,从而降低功耗。 


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基于 SiT1552 MEMS 的 TCXO,在温度范围内频率变化小于 5 ppm,是比石英晶体精确得多的替代品。这种精度减少了开启时间,并允许系统保持在睡眠模式。使用 SiT1552,系统设计人员可以利用压缩,并仅在需要时以短脉冲形式传输数据,同时使设备在最低功耗睡眠状态下保持更长时间,并有可能实现电池寿命延长两倍。图 7 显示了使用 5 ppm 的 32 kHz TCXO 与 180 ppm 的 32 kHz 石英晶体谐振器相比所增加的电池寿命。



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图 7:使用 MEMS TCXO 与石英 XTAL 谐振器相比的电池寿命。



延长电池寿命,具备可编程功能


SiT15xx 中的模拟振荡器 IC 支持多种功能,包括低噪声维持电路、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 PLL 用于器件校准和从 32.768 kHz 到 1 Hz 的频率编程。降低输出频率的能力显著降低了电流消耗。由于石英晶体谐振器在低频时的物理尺寸限制,其无法提供低于 32.768 kHz 的频率。有了更低的频率选项,SiT15xx 系列为电池供电应用中的参考时钟始终运行提供了新的架构可能性。


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 图 6:独特的 NanoDrive™输出摆幅可编程低至 200 mV 以最小化功耗 


与标准振荡器不同,SiT15xx 振荡器可通过振荡器的高度可编程输出驱动器与片上 32 kHz 振荡器电路协同工作。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。这种输出摆幅在出厂时可编程,从全摆幅低至 200 mVpp 以实现最低功耗。降低输出频率和输出驱动器电流的能力显著降低了输出负载电流(C*V*F)。


MEMS 坚固 50 倍


由于其应用的性质,物联网和可穿戴设备在各种环境中使用,可能会频繁遭受极端的机械冲击和振动。在恶劣环境中运行时,石英振荡器会性能下降,不符合数据表规格。某些石英振荡器对正弦振动和冲击特别敏感,会出现显著的频率变化。与石英振荡器相比,SiT15xx 器件架构在环境因素方面具有更高的可靠性和弹性。SiTime 谐振器的质量非常小(比石英谐振器小 3000 倍)和结构设计使其对振动和冲击等外力具有极强的免疫力。


应用和设计示例


在可穿戴市场中,产品的功能不断增加,同时它们必须消耗更少的功率和空间。32 kHz MEMS 定时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,以延长电池寿命并缩小占用空间。


图 7 显示了典型可穿戴设备中的时钟需求。一个低功耗 32 位 MCU 依靠 16 MHz 晶体为内核和外设提供时钟,而一个 32 kHz 晶体用于实时时钟。MCU 将数据发送到一个连接芯片,该芯片依靠 32 kHz 晶体用于睡眠时钟计时。 


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图 7:典型的可穿戴定时架构


图 8 展示了一个设计,其中可编程 1Hz 至 32 kHz 的 SiT1534 MEMS 振荡器用于传感器应用,而 32 kHz MEMS SiT1532 参考时钟驱动 MCU 中的 RTC。在这个设计中,通过使用 1.5 x 0.8 mm CSP 振荡器,电路板空间减少了一半以上。 


图 9 显示了一种架构,其中两个芯片需要 32.768 kHz 定时解决方案;一个是微控制器的参考时钟,另一个是蓝牙芯片的睡眠时钟。在这个设计中,一个单独的 MEMS 定时器件(无论是 SiT1532 振荡器还是 SiT1552 TCXO),在一个微小的 1.5 x 0.8 mm CSP 中,驱动两个负载。由于 XO/TCXO 可以驱动两个负载,一个 32 kHz MEMS硅晶振将取代两个 32 kHz 石英晶体。与使用两个 2012 SMD 封装的 32 kHz 石英晶体加上四个所需的负载电容的设计相比,占用空间小了八倍。与 BLE 芯片内部的 32 kHz RC 相比,SiT1552 在温度范围内的稳定性好 100 倍,从而显著节省了功率。


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图 8:健身设备定时示例 1                                                  图 9:健身设备定时示例 2


总结:


在快速增长的可穿戴设备和物联网领域,底层技术的进步推动了创新。新的 MEMS 硅晶振技术是支持实现尺寸更小、功耗更低和鲁棒性更强这一趋势的关键技术之一。


基于 MEMS 的小尺寸 32 kHz XO/TCXO 为过去设计中使用的 180 至 200 ppm 基于石英晶体的时钟源提供了一种替代方案。


MEMS硅晶振通过以下方式减小了占位面积:

• 更小、独特的封装 

• 更高的集成度,减少了元件数量 

• 电路板布局的灵活性


MEMS 硅晶振通过以下方式降低了功耗:

• 更低的核心电流消耗 

• 更高的频率稳定性,实现更长的睡眠状态 

• 可编程频率 

• 可编程输出摆幅电压 


MEMS 计时通过以下方式提高了鲁棒性:

• 对冲击和振动误差有更强的抵抗力 


随着物联网不断扩展,出现了越来越小的电池供电设备,SiTime 的超小型、低功耗、低频基于 MEMS 的振荡器提供了最佳的计时解决方案,并使以前使用体积大、精度低的石英晶振无法实现的新产品成为可能。











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