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品佳集團力推SiTime全矽MEMS時序解決方案,助力實現更小型、更低功耗的互聯網智慧城市

 2018-03-14

【方案介紹】
隨著產品從膝上放入口袋乃至戴在身上,未來發展將受到可穿戴技術的深遠影響。在這個細分市場領域,運動跟蹤器的年出貨量居領先地位,緊隨其後的是智能手錶和醫療監控器/設備以及可穿戴的攝像頭和智能眼鏡。這些設備得力於MEMS 與傳感器技術、無線連接和最新省電功能的發展進步。



可穿戴設備充分利用最新的時序技術
根據處理器、系統分區以及各項功能的不同,所有電子產品都需要使用一個或多個時序器件。傳統上講,為了在由電池供電的電子系統中實現時鐘功能,已使用了 32.768kHz 的晶體和低功耗 MHz 石英振盪器。與普通常見的 32KHz 晶體時鐘相比,全新系列的低電流低頻率 1Hz 到 32.768kHz MEMS 振盪器現在可提供眾多優勢。


對於 IoT 應用與可穿戴設備而言,小尺寸與低功耗至關重要。此外,由於眾多可穿戴產品屬於消費類產品類別,因而成本也是非常重要的因素。MEMS 時序技術的創新將為新型可穿戴應用縮小空間和節省電力、提升可靠性和降低成本做出顯著貢獻。

SiTime MEMS 時序解決方案的主要優勢包括:
• 更小尺寸

   - 最小型 32kHz 器件採用 1.5x0.8mm CSP 封裝,比石英尺寸小 80%
   - 振盪器輸出可驅動多個負載,進而減少組件數
• 與石英 XTAL 相比,精度更高
   - 32kHz XO 過溫精度高 2 到 3 倍;25°C 時為 <10ppm,過溫時為 100ppm
   - 32KHz TCXO 過溫精度高 30 到 40 倍;過溫時為 5pp
• 更低功耗:與 XTAL + SoC 振盪器相比,功耗降低 30 到 50%
  - 32 kHz TCXO 可降低系統休眠模式的功耗達 50%。5ppm 的精度意味著能減少對網絡計時更新的依賴
• 可為傳感器接口提供 1Hz 到 32kHz 的可編程頻率
• 更強復原力;抗衝擊耐振動能力提高 50 倍

【方案特色】
全矽 MEMS 時序解決方案
與基於石英的器件不同,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 諧振器晶片構成,可製造成業界標準的低成本塑封型 SMD 封裝,可與石英器件相兼容。為了滿足超小型應用對空間的需求,SiTime MEMS 振盪器採用超小型晶片級封裝 (CSP),現已開始供貨。MEMS 振盪器基於可編程架構之上,允許對頻率、供電電壓以及其他特性等進行定製。


通過集成、縮小封裝尺寸及高度的板面靈活布局實現微型化
SiTime 振盪器可提供更高的集成度、全新的封裝選項以及其他特性,從而有助於減小尺寸。SiT15xx 32 MEMS 時序解決方案經過精心設計,可用於替代對空間和功耗要求嚴格的移動、IoT 和可穿戴應用中的傳統石英晶體。這些器件已開始供貨,採用 2.0x1.2mm (2012) SMD 封裝,適用於要求兼容晶體 (XTAL) 諧振器的設計。SiT15xx 2012 振盪器擁有電源引腳 (Vdd) 和接地引腳 (GND),位於兩個大型 XTAL 焊盤之間的中間區域,如圖 1b 所示。


如果要求更小尺寸,SiT15xx 還可提供採用 CSP 封裝(圖 1a)的版本。與現有的 2012 SMD 晶體封裝相比,可縮小高達 80% 的電路板面積;與 1610 (1.6x1.0mm) XTAL 封裝相比,則可縮小 60% 的電路板面積。另一個選項是藉助 SiTime 的製造工藝,能將 MEMS 振盪器晶片與 SoC、ASIC 或微處理器晶片集成在同一個封裝中。這一選項無需外部計時組件,並可提供最高級別的集成與尺寸縮減。鑒於晶體振盪器具有局限性,石英振盪器供應商無法提供 CSP 封裝或集成型解決方案。

圖 1:32kHz MEMS XO 和 TCXO 對比石英 XTAL 的封裝尺寸和引腳位置

圖 1:32kHz MEMS XO 和 TCXO 對比石英 XTAL 的封裝尺寸和引腳位置

與石英晶體不同,SiT15xx 輸出可直接驅動晶片組的 XTAL-IN 引腳,從而免去了使用輸出負載電容器的麻煩,如圖 2 所示。因為振盪器能夠驅動時鐘信號穿過線跡,因而無需將振盪器放置在鄰近晶片組的位置。這一特性與高 0.55mm 的超低截面結合,可實現靈活的電路板布局及額外的空間優化。除了無需外部負載電容器之外,SiT15xx 器件還具有可消除外部 Vdd 旁路耦合電容器的特殊電源濾波功能,從而能進一步簡化電路板設計並實現微型化設計。內部電源濾波經過精心設計,能通過 5MHz 抑制噪聲達 ±50mVpp。

圖 2:32KHz MEMS XO 和 TCXO 的總封裝面積與石英 XTAL 和所需電容器的對比
圖 2:32KHz MEMS XO 和 TCXO 的總封裝面積與石英 XTAL 和所需電容器的對比

通過低流耗實現更長電池使用壽命
低頻率的低功耗 32kHz 計時器件廣泛應用於移動設備中,其中該器件為了實現計時或控制休眠模式而處於持續開啟狀態。這些低頻率振盪器也用於時間事件,例如用於電池供電設備電源管理 IC (PMIC) 中的監測與控制功能,或為實現同步時間基準執行短時系統喚醒。

傳統上,系統可通過將音叉型或 AT 切型石英晶體連接到片上皮爾斯振盪器電路生成 32kHz 時鐘信號。這類石英計時振盪器始終處於開啟狀態,會不斷消耗數微安的電流。SiTime 的 SiT15xx 32kHz MEMS 振盪器電流僅消耗不足 1 微安的電流,能在 1.2V 到 3.63V 電壓範圍內的多種穩壓或非穩壓電源電壓下工作。圖 3 所示的是在不同的電源和溫度下,SiT153x 振盪器所耗電流均不足 1µA。

圖 3:SiT153x 在不同電源和溫度下電流消耗小於 1 微安
3SiT153x 在不同電源和溫度下電流消耗小於 1 微安

測量的頻率穩定性
32kHz MEMS 時序器件的溫度係數與石英晶體相比,在寬泛的溫度範圍內保持平坦,如圖 4 所示。SiT15xx 振盪器經校準(修整),能在室溫下確保小於 10PPM 的頻率穩定性,-40 到 +85°C 完整溫度範圍內小於 100PPM 的頻率穩定性。相比之下,石英晶體的溫度曲線呈典型的音叉型拋物線,並在 25°C 出現拐點,如圖 4 中的紅線所示。


圖 5 所示的是 32kHz MEMS TCXO 的頻率穩定性。在這些器件中,可隨溫度的變化使用處於工作狀態的溫度校正電路對溫度係數進行校準與校正,從而能在隨溫度的變化讓 32kHz TCXO 的頻率變化小於 5ppm。極低水平的頻率變化使得時鐘極為準確,從而帶來顯著的節電效果。隨著精度的提高,無線系統可減少對網絡計時更新的依賴,並能在休眠模式下停留更長時間。



通過提高頻率穩定性實現更長的電池使用壽命
頻率穩定性,也就是隨電壓和溫度變化實現的時鐘穩定性,等同於節省電力。眾多移動設備都可在不工作時關閉電流消耗最高的功能模塊,從而降低功耗。但是,系統必須喚醒並周期性地與網絡進行通信。更高的頻率穩定性允許設備在低功耗狀態或休眠模式下保持更長的時間,從而實現顯著的功耗節省。


眾多可穿戴設備都能通過智慧型電話等網際網路中樞設備不斷採集數據、壓縮數據並將其上載到雲端。該上載在短時間內進行,會持續幾毫秒,然後設備進入休眠模式以節省功耗。這種周期性的休眠模式是電池供電設備的典型狀況,其中設備內核將關閉預設的時長。該段時間被稱為“休眠時間”,一般在 2 到 10 秒。當需要在短時猝發過程中傳輸數據時,又被喚醒。連接事件是“開啟”時間。在這段時間裡,設備的特定功能模塊被喚醒,並在短時間內保持工作狀態。

功耗與設備“開啟”時間和設備“休眠”狀態時間成比例關係。用於為休眠狀態計時的 32kHz 時鐘的休眠時鐘精度 (SCA) 會直接影響電池使用壽命。休眠時鐘不準確會導致無線電接收器 (RX) 提前開啟並保持更長開啟時間,以避免丟失來主系統的數據包。以 PPM 為測量單位的時鐘不準確導致的提前開啟時間 (ΔT) 如圖 6 所示。ΔT = (SCA) * (休眠時間)。

圖 6:提前開啟時間(或窗口變寬)受時鐘準確度影響,並會造成功耗增加。

圖 6:提前開啟時間(或窗口變寬)受時鐘準確度影響,並會造成功耗增加。

下表顯示了更精確的從系統時鐘準確度能減少提前開啟時間,從而降低功耗。


SiT1552 MEMS TCXO 在整個溫度範圍內頻率變化不足 5ppm,是比石英晶體精準得多的替代解決方案。這種準確度可縮短開啟時間,並使系統能更長時間停留在休眠模式下。使用 SiT1552,系統設計人員能根據需要在短時猝發中壓縮和傳輸數據,同時讓器件更長時間處於最低功耗的休眠狀態,從而能夠潛在地讓電池使用壽命延長兩倍。圖 7 所示的是使用 5ppm 32kHz TCXO 相對於使用 180ppm 32kHz 石英晶體諧振器所延長的電池使用壽命。

圖 7:使用 MEMS TCXO 與使用石英 XTAL 諧振器的電池使用壽命對比

圖 7:使用 MEMS TCXO 與使用石英 XTAL 諧振器的電池使用壽命對比

使用可編程特性延長電池使用壽命
SiT15xx 器件的模擬諧振器 IC 可支持多種功能,其中包括低噪聲保持電路 (Sustaining circuit)、超低功耗高精度 PLL 和超低功耗可編程輸出驅動器。小於 1 赫茲解析度的小數分頻鎖相環 (Fractional-N PLL) 可用於器件校準和從 32.768kHz 直至 1Hz 的頻率編程。降低輸出頻率就能顯著降低電流消耗。石英 XTAL 因其低頻諧振器具有物理尺寸的局限性,因而不能提供低於 32.768kHz 的頻率。由於能提供較低頻率選項,因而對於參考時鐘始終運行的電池供電應用來說,SiT15xx 系列可實現全新的架構可能性。

圖 8:獨特的 NanoDrive™ 輸出擺幅通過編程可低至 200mV,最大限度降低功耗
圖 8:獨特的 NanoDrive™ 輸出擺幅通過編程可低至 200mV,最大限度降低功耗

與標準振盪器不同,SiT15xx 振盪器通過自身的高度可編程輸出驅動器,能與片上 32kHz 振盪器電路進行協力工作。輸出驅動器能生成多種級別的共模電壓及擺幅,以匹配片上 32kHz 振盪器電路的不同實現方案,如圖 6 所示。輸出擺幅由工廠編程,從滿擺幅直至功耗最低的 200mVpp。由於能降低輸出頻率與輸出驅動器電流,因而輸出負載電流 (C*V*F) 也顯著下降。敬請訪問網址 www.sitime.com/products/32-khz-oscillators,參閱 SiT15xx 產品說明書,了解負載計算詳情與相關示例。

MEMS 穩健性逾 50 倍
IoT 和可穿戴設備因其應用的性質被用於各種類型的環境中,並能承受頻繁猛烈的衝擊與振動。當在嚴苛環境中工作時,石英振盪器的性能會退化,偏離產品說明書載明的規範。一些石英振盪器對正弦振動衝擊極為敏感,會發生嚴重的頻率改變。相對於石英諧振器,在面對環境因素的改變時,SiT15xx 的器件架構具備更卓越的可靠性與靈活性。非常輕的質量(比石英諧振器小 3000 倍)加上 SiTime 諧振器的結構化設計,使其對諸如振動與衝擊等外力具備極佳的防禦能力。


如需了解有關 MEMS 振盪器復原力和可靠性的更多詳情,敬請訪問下列連結並參閱應用說明書:http://www.sitime.com/support/application-notes.

應用與設計示例
在可穿戴市場上,產品的功能性越來越豐富,同時也必須降低產品的功耗、縮小產品尺寸。32kHz MEMS 時序解決方案可用於真正的秒脈衝 (PPS) 計時、RTC 參考時鐘計時以及電池管理計時,以延長電池使用壽命、縮小外形尺寸。


圖 9 所示的是典型可穿戴設備的時鐘需求。一款低功耗的 32 位 MCU 可使用 16MHz 晶體為內核和外設計時,而使用 32kHz 晶體則可用於實時計時。MCU 可將數據發送給使用 32kHz 晶體實現休眠時鐘計時的連接晶片。
圖 9:典型的可穿戴設備時序架構
圖 9:典型的可穿戴設備時序架構

圖 10 所示的設計將 1Hz 到 32kHz 可編程 SiT1534 MEMS 振盪器用於傳感器應用,並使用 32kHz MEMS SiT1532 參考時鐘驅動 MCU 中的 RTC。在本設計中,可通過使用 1.5x0.8mm CSP 振盪器將板級空間縮小一半以上。

圖 11 所示的是一種供雙晶片使用的 32.768kHz 時序解決方案架構。一個參考時鐘用於微控制器,另一個參考時鐘則用作藍牙晶片的休眠時鐘。在本設計中,採用微小型 1.5x0.8mm CSP 封裝的一個 MEMS 時序器件(SiT1532 振盪器或 SiT1552 TCXO)可驅動兩個負載。由於該 XO/TCXO 能夠驅動兩個負載,因而一個 32kHz MEMS 器件就可以代替兩個 32kHz 石英 XTAL。與採用 2012 SMD 封裝的兩個石英 XTAL 外加四個必需的負載電容器的設計方案相比,外形尺寸小八倍。此外,與使用 BLE 晶片內部的 32kHz RC 振盪器相比,使用 SiT1552 不僅能顯著節省功耗,還可以帶來高出 100 倍的溫度穩定性。


總結
在底層技術進步的推動下,快速發展的可穿戴及 IoT 領域的技術創新層出不窮。在朝著更小尺寸、更低功耗以及更高穩健性趨勢的發展道路上,全新 MEMS 時序技術是至關重要的支持技術之一。
基於 MEMS 的小型 32kHz XO/TCXO 可替代以往設計中使用的 180 到 200ppm 石英晶體時鐘源。

MEMS 時序解決方案通過下列各項減小外形尺寸:
• 更小尺寸的獨特封裝

   -減少組件數的更高集成度
   -高度的板面布局靈活性
• MEMS 時序解決方案通過下列各項節省功耗:
• 減少內核流耗
• 更高的頻率穩定性可實現更長的休眠狀態
• 頻率可編程
• 可編程的輸出壓擺  MEMS 時序解決方案可通過下列各項式提高穩健性:
   -更強大的抗衝擊能力與抑制振動誤差的能力

隨著電池供電的設備變得越來越小,IoT 也同步實現迅速發展,SiTime 基於 MEMS 的超小型、低功耗、低頻率振盪器不僅能提供最優的時序解決方案,而且還能實現之前大體積較低精度石英產品望塵莫及的全新產品。

若需任何產品詳情, 請洽以下品佳集團SiTime 產品線企劃人員, 
或造訪品佳集團網站 http://www.sacg.com.tw/ , 謝謝!