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品佳集团力推SiTime全硅MEMS时序解决方案,助力实现更小型、更低功耗的互联网智慧城市

 2018-03-14

【方案介紹】
随着产品从膝上放入口袋乃至戴在身上,未来发展将受到可穿戴技术的深远影响。在这个细分市场领域,运动跟踪器的年出货量居领先地位,紧随其后的是智能手表和医疗监控器/设备以及可穿戴的摄像头和智能眼镜。这些设备得力于MEMS 与传感器技术、无线连接和最新省电功能的发展进步。



可穿戴设备充分利用最新的时序技术
根据处理器、系统分区以及各项功能的不同,所有电子产品都需要使用一个或多个时序器件。传统上讲,为了在由电池供电的电子系统中实现时钟功能,已使用了 32.768kHz 的晶体和低功耗 MHz 石英振荡器。与普通常见的 32KHz 晶体时钟相比,全新系列的低电流低频率 1Hz 到 32.768kHz MEMS 振荡器现在可提供众多优势。


对于 IoT 应用与可穿戴设备而言,小尺寸与低功耗至关重要。此外,由于众多可穿戴产品属于消费类产品类别,因而成本也是非常重要的因素。MEMS 时序技术的创新将为新型可穿戴应用缩小空间和节省电力、提升可靠性和降低成本做出显著贡献。

SiTime MEMS 时序解决方案的主要优势包括:
• 更小尺寸

   - 最小型 32kHz 器件采用 1.5x0.8mm CSP 封装,比石英尺寸小 80%
   - 振荡器输出可驱动多个负载,进而减少组件数
• 与石英 XTAL 相比,精度更高
   - 32kHz XO 过温精度高 2 到 3 倍;25°C 时为 <10ppm,过温时为 100ppm
   - 32KHz TCXO 过温精度高 30 到 40 倍;过温时为 5pp
• 更低功耗:与 XTAL + SoC 振荡器相比,功耗降低 30 到 50%
  - 32 kHz TCXO 可降低系统休眠模式的功耗达 50%。5ppm 的精度意味着能减少对网络计时更新的依赖
• 可为传感器接口提供 1Hz 到 32kHz 的可编程频率
• 更强复原力;抗冲击耐振动能力提高 50 倍

【方案特色】
全硅 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 振荡器由安装在高性能可编程模拟振荡器 IC 顶部的 MEMS 谐振器晶片构成,可制造成业界标准的低成本塑封型 SMD 封装,可与石英器件相兼容。为了满足超小型应用对空间的需求,SiTime MEMS 振荡器采用超小型芯片级封装 (CSP),现已开始供货。MEMS 振荡器基于可编程架构之上,允许对频率、供电电压以及其他特性等进行定制。


通过集成、缩小封装尺寸及高度的板面灵活布局实现微型化
SiTime 振荡器可提供更高的集成度、全新的封装选项以及其他特性,从而有助于减小尺寸。SiT15xx 32 MEMS 时序解决方案经过精心设计,可用于替代对空间和功耗要求严格的移动、IoT 和可穿戴应用中的传统石英晶体。这些器件已开始供货,采用 2.0x1.2mm (2012) SMD 封装,适用于要求兼容晶体 (XTAL) 谐振器的设计。SiT15xx 2012 振荡器拥有电源引脚 (Vdd) 和接地引脚 (GND),位于两个大型 XTAL 焊盘之间的中间区域,如图 1b 所示。


如果要求更小尺寸,SiT15xx 还可提供采用 CSP 封装(图 1a)的版本。与现有的 2012 SMD 晶体封装相比,可缩小高达 80% 的电路板面积;与 1610 (1.6x1.0mm) XTAL 封装相比,则可缩小 60% 的电路板面积。另一个选项是借助 SiTime 的制造工艺,能将 MEMS 振荡器晶片与 SoC、ASIC 或微处理器晶片集成在同一个封装中。这一选项无需外部计时组件,并可提供最高级别的集成与尺寸缩减。鉴于晶体振荡器具有局限性,石英振荡器供应商无法提供 CSP 封装或集成型解决方案。

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

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

与石英晶体不同,SiT15xx 输出可直接驱动芯片组的 XTAL-IN 引脚,从而免去了使用输出负载电容器的麻烦,如图 2 所示。因为振荡器能够驱动时钟信号穿过线迹,因而无需将振荡器放置在邻近芯片组的位置。这一特性与高 0.55mm 的超低截面结合,可实现灵活的电路板布局及额外的空间优化。除了无需外部负载电容器之外,SiT15xx 器件还具有可消除外部 Vdd 旁路耦合电容器的特殊电源滤波功能,从而能进一步简化电路板设计并实现微型化设计。内部电源滤波经过精心设计,能通过 5MHz 抑制噪声达 ±50mVpp。

图 2:32KHz MEMS XO 和 TCXO 的总封装面积与石英 XTAL 和所需电容器的对比
图 2:32KHz MEMS XO 和 TCXO 的总封装面积与石英 XTAL 和所需电容器的对比

通过低流耗实现更长电池使用寿命
低频率的低功耗 32kHz 计时器件广泛应用于移动设备中,其中该器件为了实现计时或控制休眠模式而处于持续开启状态。这些低频率振荡器也用于时间事件,例如用于电池供电设备电源管理 IC (PMIC) 中的监测与控制功能,或为实现同步时间基准执行短时系统唤醒。

传统上,系统可通过将音叉型或 AT 切型石英晶体连接到片上皮尔斯振荡器电路生成 32kHz 时钟信号。这类石英计时振荡器始终处于开启状态,会不断消耗数微安的电流。SiTime 的 SiT15xx 32kHz MEMS 振荡器电流仅消耗不足 1 微安的电流,能在 1.2V 到 3.63V 电压范围内的多种稳压或非稳压电源电压下工作。图 3 所示的是在不同的电源和温度下,SiT153x 振荡器所耗电流均不足 1µA。

图 3:SiT153x 在不同电源和温度下电流消耗小于 1 微安
3SiT153x 在不同电源和温度下电流消耗小于 1 微安

测量的频率稳定性
32kHz MEMS 时序器件的温度系数与石英晶体相比,在宽泛的温度范围内保持平坦,如图 4 所示。SiT15xx 振荡器经校准(修整),能在室温下确保小于 10PPM 的频率稳定性,-40 到 +85°C 完整温度范围内小于 100PPM 的频率稳定性。相比之下,石英晶体的温度曲线呈典型的音叉型抛物线,并在 25°C 出现拐点,如图 4 中的红线所示。


图 5 所示的是 32kHz MEMS TCXO 的频率稳定性。在这些器件中,可随温度的变化使用处于工作状态的温度校正电路对温度系数进行校准与校正,从而能在随温度的变化让 32kHz TCXO 的频率变化小于 5ppm。极低水平的频率变化使得时钟极为准确,从而带来显著的节电效果。随着精度的提高,无线系统可减少对网络计时更新的依赖,并能在休眠模式下停留更长时间。



通过提高频率稳定性实现更长的电池使用寿命
频率稳定性,也就是随电压和温度变化实现的时钟稳定性,等同于节省电力。众多移动设备都可在不工作时关闭电流消耗最高的功能模块,从而降低功耗。但是,系统必须唤醒并周期性地与网络进行通信。更高的频率稳定性允许设备在低功耗状态或休眠模式下保持更长的时间,从而实现显著的功耗节省。


众多可穿戴设备都能通过智能电话等互联网中枢设备不断采集数据、压缩数据并将其上载到云端。该上载在短时间内进行,会持续几毫秒,然后设备进入休眠模式以节省功耗。这种周期性的休眠模式是电池供电设备的典型状况,其中设备内核将关闭预设的时长。该段时间被称为“休眠时间”,一般在 2 到 10 秒。当需要在短时猝发过程中传输数据时,又被唤醒。连接事件是“开启”时间。在这段时间里,设备的特定功能模块被唤醒,并在短时间内保持工作状态。

功耗与设备“开启”时间和设备“休眠”状态时间成比例关系。用于为休眠状态计时的 32kHz 时钟的休眠时钟精度 (SCA) 会直接影响电池使用寿命。休眠时钟不准确会导致无线电接收器 (RX) 提前开启并保持更长开启时间,以避免丢失来主系统的数据包。以 PPM 为测量单位的时钟不准确导致的提前开启时间 (ΔT) 如图 6 所示。ΔT = (SCA) * (休眠时间)。

图 6:提前开启时间(或窗口变宽)受时钟准确度影响,并会造成功耗增加。

图 6:提前开启时间(或窗口变宽)受时钟准确度影响,并会造成功耗增加。

下表显示了更精确的从系统时钟准确度能减少提前开启时间,从而降低功耗。


SiT1552 MEMS TCXO 在整个温度范围内频率变化不足 5ppm,是比石英晶体精准得多的替代解决方案。这种准确度可缩短开启时间,并使系统能更长时间停留在休眠模式下。使用 SiT1552,系统设计人员能根据需要在短时猝发中压缩和传输数据,同时让器件更长时间处于最低功耗的休眠状态,从而能够潜在地让电池使用寿命延长两倍。图 7 所示的是使用 5ppm 32kHz TCXO 相对于使用 180ppm 32kHz 石英晶体谐振器所延长的电池使用寿命。

图 7:使用 MEMS TCXO 与使用石英 XTAL 谐振器的电池使用寿命对比

图 7:使用 MEMS TCXO 与使用石英 XTAL 谐振器的电池使用寿命对比

使用可编程特性延长电池使用寿命
SiT15xx 器件的模拟谐振器 IC 可支持多种功能,其中包括低噪声保持电路 (Sustaining circuit)、超低功耗高精度 PLL 和超低功耗可编程输出驱动器。小于 1 赫兹分辨率的小数分频锁相环 (Fractional-N PLL) 可用于器件校准和从 32.768kHz 直至 1Hz 的频率编程。降低输出频率就能显著降低电流消耗。石英 XTAL 因其低频谐振器具有物理尺寸的局限性,因而不能提供低于 32.768kHz 的频率。由于能提供较低频率选项,因而对于参考时钟始终运行的电池供电应用来说,SiT15xx 系列可实现全新的架构可能性。

图 8:独特的 NanoDrive™ 输出摆幅通过编程可低至 200mV,最大限度降低功耗
图 8:独特的 NanoDrive™ 输出摆幅通过编程可低至 200mV,最大限度降低功耗

与标准振荡器不同,SiT15xx 振荡器通过自身的高度可编程输出驱动器,能与片上 32kHz 振荡器电路进行协力工作。输出驱动器能生成多种级别的共模电压及摆幅,以匹配片上 32kHz 振荡器电路的不同实现方案,如图 6 所示。输出摆幅由工厂编程,从满摆幅直至功耗最低的 200mVpp。由于能降低输出频率与输出驱动器电流,因而输出负载电流 (C*V*F) 也显著下降。敬请访问网址 www.sitime.com/products/32-khz-oscillators,参阅 SiT15xx 产品说明书,了解负载计算详情与相关示例。

MEMS 稳健性逾 50 倍
IoT 和可穿戴设备因其应用的性质被用于各种类型的环境中,并能承受频繁猛烈的冲击与振动。当在严苛环境中工作时,石英振荡器的性能会退化,偏离产品说明书载明的规范。一些石英振荡器对正弦振动冲击极为敏感,会发生严重的频率改变。相对于石英谐振器,在面对环境因素的改变时,SiT15xx 的器件架构具备更卓越的可靠性与灵活性。非常轻的质量(比石英谐振器小 3000 倍)加上 SiTime 谐振器的结构化设计,使其对诸如振动与冲击等外力具备极佳的防御能力。


如需了解有关 MEMS 振荡器复原力和可靠性的更多详情,敬请访问下列链接并参阅应用说明书:http://www.sitime.com/support/application-notes.

应用与设计示例
在可穿戴市场上,产品的功能性越来越丰富,同时也必须降低产品的功耗、缩小产品尺寸。32kHz MEMS 时序解决方案可用于真正的秒脉冲 (PPS) 计时、RTC 参考时钟计时以及电池管理计时,以延长电池使用寿命、缩小外形尺寸。


图 9 所示的是典型可穿戴设备的时钟需求。一款低功耗的 32 位 MCU 可使用 16MHz 晶体为内核和外设计时,而使用 32kHz 晶体则可用于实时计时。MCU 可将数据发送给使用 32kHz 晶体实现休眠时钟计时的连接芯片。
图 9:典型的可穿戴设备时序架构
图 9:典型的可穿戴设备时序架构

图 10 所示的设计将 1Hz 到 32kHz 可编程 SiT1534 MEMS 振荡器用于传感器应用,并使用 32kHz MEMS SiT1532 参考时钟驱动 MCU 中的 RTC。在本设计中,可通过使用 1.5x0.8mm CSP 振荡器将板级空间缩小一半以上。

图 11 所示的是一种供双芯片使用的 32.768kHz 时序解决方案架构。一个参考时钟用于微控制器,另一个参考时钟则用作蓝牙芯片的休眠时钟。在本设计中,采用微小型 1.5x0.8mm CSP 封装的一个 MEMS 时序器件(SiT1532 振荡器或 SiT1552 TCXO)可驱动两个负载。由于该 XO/TCXO 能够驱动两个负载,因而一个 32kHz MEMS 器件就可以代替两个 32kHz 石英 XTAL。与采用 2012 SMD 封装的两个石英 XTAL 外加四个必需的负载电容器的设计方案相比,外形尺寸小八倍。此外,与使用 BLE 芯片内部的 32kHz RC 振荡器相比,使用 SiT1552 不仅能显著节省功耗,还可以带来高出 100 倍的温度稳定性。


总结
在底层技术进步的推动下,快速发展的可穿戴及 IoT 领域的技术创新层出不穷。在朝着更小尺寸、更低功耗以及更高稳健性趋势的发展道路上,全新 MEMS 时序技术是至关重要的支持技术之一。
基于 MEMS 的小型 32kHz XO/TCXO 可替代以往设计中使用的 180 到 200ppm 石英晶体时钟源。

MEMS 时序解决方案通过下列各项减小外形尺寸:
• 更小尺寸的独特封装

   -减少组件数的更高集成度
   -高度的板面布局灵活性
• MEMS 时序解决方案通过下列各项节省功耗:
• 减少内核流耗
• 更高的频率稳定性可实现更长的休眠状态
• 频率可编程
• 可编程的输出压摆  MEMS 时序解决方案可通过下列各项式提高稳健性:
   -更强大的抗冲击能力与抑制振动误差的能力

随着电池供电的设备变得越来越小,IoT 也同步实现迅速发展,SiTime 基于 MEMS 的超小型、低功耗、低频率振荡器不仅能提供最优的时序解决方案,而且还能实现之前大体积较低精度石英产品望尘莫及的全新产品。

若需任何产品详情, 请洽以下品佳集团SiTime 产品线企划人员, 
或造访品佳集团网站 http://www.sacg.com.tw/ , 谢谢!