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作者：Jehangir Parvereshi，sr?？蛻艄こ探?jīng)理和 SiTime 營銷總監(jiān) Harpreet Chohan
互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備或物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的爆炸性增長是由網(wǎng)絡(luò)上的人員、設(shè)備和數(shù)據(jù)的融合推動的。隨著產(chǎn)品從筆記本電腦到口袋再到身體，未來的增長將受到可穿戴技術(shù)的強烈影響?；顒幼粉櫰髟诿磕瓿鲐浟糠矫嫣幱陬I(lǐng)先地位，其次是智能手表和醫(yī)療監(jiān)視器/設(shè)備，以及可穿戴相機和智能眼鏡。這些設(shè)備得益于 MEMS 和傳感器技術(shù)、無線連接和新的節(jié)能功能的進(jìn)步。
可穿戴設(shè)備利用新的計時技術(shù)
所有電子產(chǎn)品都需要一個或多個計時設(shè)備，具體取決于系統(tǒng)中的處理器、分區(qū)和各種功能。傳統(tǒng)上，32.768-kHz 晶體和低功率 MHz 石英振蕩器已被用于在電池供電的電子系統(tǒng)中實現(xiàn)時鐘功能。與普遍存在的 32 kHz 晶體時鐘相比，一種新型超低功耗、低頻 MEMS 振蕩器現(xiàn)在具有優(yōu)勢。MEMS 計時技術(shù)的創(chuàng)新正在對物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備產(chǎn)生重大影響，尤其是在尺寸和節(jié)能方面。
面向物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備的 MEMS 計時解決方案的主要優(yōu)勢包括：
占地面積更小——比石英小 80%
o 采用 1.5 × 0.8-mm 芯片級封裝 (CSP) 的最小 32-kHz 振蕩器
o 振蕩器輸出驅(qū)動多個負(fù)載，減少元件數(shù)量和電路板面積
更好的穩(wěn)定性，高達(dá) 3 ppm — 轉(zhuǎn)化為更高的節(jié)省
o MEMS XO（振蕩器）的精度比石英高 2 到 3 倍
o MEMS TCXO（溫度補償振蕩器）精度提高 30 倍至 40 倍
o 與石英 XTAL + SoC 振蕩器相比，更好的穩(wěn)定性意味著對網(wǎng)絡(luò)計時更新的依賴更少，睡眠模式周期更長，功耗降低 30% 至 50%
用于傳感器接口的可編程頻率范圍為 1 Hz 至 2.5 MHz——支持新的架構(gòu)選項
更具彈性——抗沖擊和振動能力提高 50 倍
全硅 MEMS 時序解決方案
與基于石英的設(shè)備不同，硅 MEMS 振蕩器采用現(xiàn)代封裝技術(shù)。MEMS 振蕩器由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(biāo)準(zhǔn)低成本塑料 SMD 封裝，其封裝與石英器件兼容。為了支持超小型應(yīng)用的空間要求，SiTime MEMS 振蕩器可用于超小型 CSP。MEMS 振蕩器基于可編程架構(gòu)，允許自定義特性，包括頻率、電源電壓、輸出擺幅和其他特性。
通過集成實現(xiàn)小型化、更小的封裝尺寸和電路板布局靈活性
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 32kHz MEMS 計時解決方案旨在替代空間和功率至關(guān)重要的移動、物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴應(yīng)用中的傳統(tǒng)石英晶體。這些器件還采用 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(shè)計。SiT15xx 2012 振蕩器在兩個大 XTAL 焊盤之間的中心區(qū)域具有電源 (Vdd) 和接地 (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(xiàn)有的 2012 SMD 晶體封裝相比，其占位面積減少高達(dá) 80%，比 1610 (1.6 × 1.0-mm) XTAL 小 60%包裹。由于 SiTime 的制造工藝，另一種選擇是將 MEMS 諧振器芯片與 SoC、ASIC 或微處理器芯片集成在一個封裝內(nèi)的能力。此選項消除了外部時序組件，并提供了最高水平的集成和尺寸縮減。由于晶體諧振器的限制，石英供應(yīng)商無法提供 CSP 或集成解決方案。
圖 1：與石英 XTAL 相比，32kHz 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(qū)動到芯片組的 XTAL-IN 引腳，無需輸出負(fù)載電容器，如圖2 所示。因為振蕩器可以通過走線驅(qū)動時鐘信號，所以它不需要放置在芯片組附近。此功能與超薄型（0.55 毫米高）相結(jié)合，可實現(xiàn)電路板布局的靈活性和額外的空間優(yōu)化。除了消除外部負(fù)載電容器外，SiT15xx 器件還具有特殊的電源濾波功能，無需外部 Vdd 旁路去耦電容器，進(jìn)一步簡化了電路板設(shè)計和小型化。內(nèi)部電源濾波旨在抑制高達(dá) ±50 mVpp 至 5 MHz 的噪聲。
圖 2：與石英 XTAL 和所需電容器相比，32kHz MEMS XO 和 TCXO 的總占位面積。
通過低電流消耗延長電池壽命
低頻、低功耗 32-kHz 計時設(shè)備廣泛用于移動設(shè)備中，在這些設(shè)備中，設(shè)備持續(xù)開啟以計時或控制睡眠模式。這些低頻振蕩器還用于對事件進(jìn)行計時，例如電池供電設(shè)備中使用的電源管理 IC (PMIC) 中的監(jiān)視和控制功能，或執(zhí)行短時間系統(tǒng)喚醒以實現(xiàn)定時參考同步。
圖 3：SiT153x 消耗小于 1μA 的電源過剩和溫度。
測得的頻率穩(wěn)定性
與圖 4所示的石英晶體相比，32kHz MEMS 計時器件的溫度系數(shù)在整個溫度范圍內(nèi)都非常平坦。SiT15xx 振蕩器經(jīng)過校準(zhǔn)（修整）以確保頻率穩(wěn)定性在室溫下低于 10 ppm，在整個 –40°C 至 85°C 溫度范圍內(nèi)低于 100 ppm。相比之下，石英晶體具有經(jīng)典的音叉拋物線溫度曲線，其轉(zhuǎn)換點為 25°C，如圖 4 中的紅線所示。
圖 4：SiT1532 32-kHz MEMS XO 頻率穩(wěn)定性與石英 XTAL 相比，溫度范圍為 –160 至 –200 ppm。
圖 5 繪制了 32kHz MEMS TCXO 的頻率穩(wěn)定性。在這些器件中，溫度系數(shù)通過有源溫度校正電路在整個溫度范圍內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)和校正。結(jié)果是一個 32-kHz TCXO 隨溫度變化的頻率變化小于 5-ppm。這種低水平的頻率變化會產(chǎn)生極其精確的時鐘，從而顯著節(jié)省功耗。憑借更高的準(zhǔn)確性，無線系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)計時更新的依賴程度更低，并且可以在更長的時間內(nèi)保持睡眠模式。
圖 5：SiT1552 MEMS TCXO 頻率穩(wěn)定性比石英 XTAL 精確 30 到 40 倍。
通過更好的頻率穩(wěn)定性延長電池壽命
頻率穩(wěn)定性，即時鐘在電壓和溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)化為節(jié)能。許多移動和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過在不活動時關(guān)閉具有最高電流消耗的功能塊來降低功耗。但是，系統(tǒng)必須喚醒并定期與網(wǎng)絡(luò)通信。更高的頻率穩(wěn)定性使設(shè)備能夠長時間保持在低功耗狀態(tài)或睡眠狀態(tài)，從而顯著節(jié)省功耗。
許多可穿戴設(shè)備不斷收集數(shù)據(jù)并通過智能手機等互聯(lián)網(wǎng)集線器設(shè)備將其壓縮并上傳到云端。此上傳以持續(xù)幾毫秒的短脈沖傳輸，然后設(shè)備進(jìn)入睡眠狀態(tài)以節(jié)省電力。循環(huán)睡眠場景是典型的電池供電設(shè)備，其中設(shè)備內(nèi)核在稱為“睡眠時間”的預(yù)設(shè)時間內(nèi)關(guān)閉，通常在 2 到 10 秒的范圍內(nèi)，并在需要傳輸數(shù)據(jù)時喚醒。短暫的爆發(fā)。連接事件是設(shè)備的某些功能塊喚醒并在短時間內(nèi)保持活動狀態(tài)的“ON”時間。
圖 6：早期開啟時間（或窗口加寬）受時鐘精度影響并導(dǎo)致功率損失。
功耗與“開啟”時間與設(shè)備處于“睡眠”狀態(tài)的時間之比成正比。而用于計時睡眠狀態(tài)的 32 kHz 時鐘的睡眠時鐘精度 (SCA) 對電池壽命有直接影響。睡眠時鐘不準(zhǔn)確會導(dǎo)致無線電接收器 (RX) 更早開啟并保持更長時間，以避免丟失來自主機的數(shù)據(jù)包。以 ppm 為單位測量的時鐘不準(zhǔn)確性會延長早期開啟時間 (ΔT)，如圖6所示：ΔT = (SCA) × (SLEEP TIME)。
下表顯示更嚴(yán)格的從時鐘精度可減少早期開啟時間，從而降低功耗。
基于 MEMS 的 TCXO，例如 SiT1552，隨溫度變化的頻率變化小于 5 ppm，是比石英晶體更準(zhǔn)確的替代品。這種準(zhǔn)確性減少了早期開啟時間，并允許系統(tǒng)在睡眠模式下停留更長時間。使用 SiT1552，系統(tǒng)設(shè)計人員可以僅在需要時利用壓縮和短脈沖傳輸數(shù)據(jù)，同時將設(shè)備長時間保持在最低功耗睡眠狀態(tài)，并有可能實現(xiàn)高達(dá)兩倍的電池壽命。?
圖 7：與石英 XTAL 諧振器相比，使用 MEMS TCXO 的電池壽命。
圖 7 顯示了與 200-ppm 32-kHz 石英晶體諧振器相比，使用 5-ppm 32-kHz TCXO 可節(jié)省 30% 的功率。顯示的是 2 秒到 20 秒的各種睡眠時間在 1 個連接間隔內(nèi)的平均電流消耗的兩個圖。這些每個周期的平均值是根據(jù) 1.8 μA 的 BLE SoC 睡眠電流、9.3 mA 的無線電接收器功率、9 mA 的發(fā)射功率和大約 5 mA 的平均開啟時間基帶處理電流計算得出的。
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，包括低噪聲維持電路、超低功耗精密 PLL 和超低功耗可編程輸出驅(qū)動器。具有亞赫茲分辨率的小數(shù) N PLL 用于從 2.5 MHz 到 1 Hz 的器件校準(zhǔn)和頻率編程。降低輸出頻率的能力顯著降低了電流消耗。石英 XTAL 由于低頻時諧振器的物理尺寸限制，不提供低于 32.768 kHz 的頻率。借助低頻選項，SiT15xx 系列在參考時鐘始終運行的電池供電應(yīng)用中實現(xiàn)了新的架構(gòu)可能性。
圖 8：獨特的 NanoDrive 輸出擺幅可編程低至 200 mV，以最大限度地降低功耗。
與標(biāo)準(zhǔn)振蕩器不同，SiT15xx 振蕩器可以通過振蕩器的高度可編程輸出驅(qū)動器與片上 32 kHz 振蕩器電路協(xié)同工作。輸出驅(qū)動器可以生成各種共模電壓和擺動電平，以匹配片上 32 kHz 振蕩器電路的不同實現(xiàn)，如圖 8 所示。該輸出擺幅可在工廠編程，從全擺幅降至 200 mVpp，以實現(xiàn)最低功耗。降低輸出頻率和輸出驅(qū)動器電流的能力顯著降低了輸出負(fù)載電流 (C × V × F)。有關(guān)負(fù)載計算的詳細(xì)信息和示例，請參見 SiT15xx 數(shù)據(jù)表，網(wǎng)址為https://www.sitime.com/products/khz-oscillators和https://www.sitime.com/products/mpower-oscillators-1-hz-26-mhz。
MEMS 的魯棒性提高 50 倍
就其應(yīng)用的性質(zhì)而言，物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備可用于各種環(huán)境，并且可能會受到頻繁和極端的機械沖擊和振動。在惡劣環(huán)境中運行時，石英振蕩器會退化并且不符合數(shù)據(jù)表規(guī)范。一些石英振蕩器對正弦振動和沖擊特別敏感，并且會表現(xiàn)出顯著的頻率變化。與石英同類產(chǎn)品相比，SiT15xx 器件架構(gòu)具有更高的可靠性和對惡劣環(huán)境因素的彈性。SiTime 諧振器的質(zhì)量非常?。ū仁⒅C振器小 1,000 倍）和結(jié)構(gòu)設(shè)計使其對振動和沖擊等外力具有極強的免疫力。有關(guān) MEMS 振蕩器的彈性和可靠性的更多詳細(xì)信息，請參閱技術(shù)論文：https://www.sitime.com/sites/default/files/gated/AN10045-SiTime-Resilience-Reliability-MEMS-Oscillators_0.pdf。
應(yīng)用和設(shè)計示例
在可穿戴市場中，產(chǎn)品的功能不斷增加，同時它們必須消耗更少的功率和空間。32kHz MEMS 計時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，以延長電池壽命并縮小占用空間。
圖 9：典型的可穿戴計時架構(gòu)。
圖 9 顯示了典型可穿戴設(shè)備的時鐘需求。低功耗 32 位 MCU 使用 16-MHz 晶振為內(nèi)核和外設(shè)提供時鐘，而 32-kHz 晶振用于實時時鐘。MCU 將數(shù)據(jù)發(fā)送到連接芯片，該芯片使用用于睡眠時鐘計時的 32 kHz 晶體。
圖 10：健身器計時示例 1。
圖 10 說明了一種設(shè)計，其中可編程 1Hz 至 32kHz SiT1534 MEMS 振蕩器用于傳感器應(yīng)用，32kHz MEMS SiT1532 參考時鐘驅(qū)動 MCU 中的 RTC。在此設(shè)計中，通過使用 1.5 × 0.8-mm CSP 振蕩器，電路板空間減少到一半以下。
圖 11：健身器計時示例 2。
圖 11 顯示了一個架構(gòu)，其中兩個芯片需要 32-kHz 定時解決方案：微控制器的參考時鐘和藍(lán)牙芯片的睡眠時鐘。在這個設(shè)計中，一個微型 1.5 × 0.8-mm CSP 中的 MEMS 計時器件驅(qū)動兩個負(fù)載并取代了兩個 32-kHz 石英 XTAL。占位面積比在 2012 SMD 封裝中使用兩個石英 XTAL 加上四個所需負(fù)載電容器的設(shè)計小八倍。與 BLE 芯片的內(nèi)部 32-kHz RC 溫度范圍相比，該設(shè)計還顯著節(jié)省了功耗，SiT1552 TCXO 的穩(wěn)定性提高了 100 倍。
概括
基礎(chǔ)技術(shù)的進(jìn)步推動了快速增長的可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的創(chuàng)新。MEMS 時序技術(shù)是實現(xiàn)更小尺寸、更低功耗和更高穩(wěn)健性趨勢的關(guān)鍵支持技術(shù)之一。
MEMS 時序通過以下方式減少占用空間：
更小、更獨特的包裝
更高的集成度可減少組件數(shù)量
電路板布局靈活性
MEMS 時序通過以下方式降低功耗：
降低核心電流消耗
更高的頻率穩(wěn)定性，可實現(xiàn)更長的睡眠狀態(tài)
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(wěn)健性：
更好的抗沖擊和振動誤差
MEMS XO/TCXO 為過去設(shè)計中使用的體積較大、精度較低的石英晶體時鐘源提供了替代方案。隨著物聯(lián)網(wǎng)隨著越來越小的電池供電設(shè)備繼續(xù)擴(kuò)展，基于低頻 MEMS 的設(shè)備將提供最佳時序解決方案，并支持以前不可能的新產(chǎn)品。
審核編輯 黃昊宇
工商網(wǎng)監(jiān)
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