小尺寸低功耗的MEMS振蕩器能為電源模塊省電是真的嗎?

自2005年MEMS可編程振蕩器實現(xiàn)低成本之后,得到越來越多的用戶關(guān)注,而且它的優(yōu)勢也更明顯的展現(xiàn)出來,我們都知道MEMS振蕩器的材料是硅晶,而不是傳統(tǒng)的石英和水晶.用硅晶來制造晶體晶振,性能與普通的石英并不一樣,它屬于比較靈活性的材料,可隨意選擇任何一種頻率,哪怕是極度偏僻冷門的,也可以編程出來.而且開發(fā)的時間比較短,本文我們將深層探討MEMS振蕩器的尺寸和低功率,給電源系統(tǒng)帶來的優(yōu)勢.下表中所示的許多功能和可編程體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn).

較小的尺寸:

可編程計時平臺可以通過多種方式減少組件數(shù)量和系統(tǒng)尺寸.首先,由于我們的設(shè)備的頻率可以在非常寬的范圍內(nèi)進(jìn)行編程,精度為六位十進(jìn)制,因此設(shè)計人員可以選擇與下游芯片(MCU,MPU,SoC等)要求完全匹配的輸出頻率,從而無需用于額外的緩沖器/分頻器和頻率轉(zhuǎn)換器PLL.一些振蕩器具有系統(tǒng)內(nèi)可編程性(ISP),允許在運(yùn)行期間將頻率編程為1MHz至725MHz.這些有源晶振也可以上拉至±3200ppm,5ppt分辨率和出色的拉線線性度.這種類型的可編程設(shè)備非常適合替換支持多個頻率的系統(tǒng)中的多個定時組件.

另一種減少BOM的做法是將振蕩器輸出驅(qū)動器編程為最大驅(qū)動強(qiáng)度,從而使其能夠驅(qū)動多個器件.這消除了對扇出緩沖器的需求,并減少了所需定時組件的數(shù)量.例如,在小型無線產(chǎn)品中,具有更高驅(qū)動強(qiáng)度的單個32kHz貼片晶振可以驅(qū)動RTC處理器,BLE睡眠時鐘以及音頻DAC或編解碼器,從而取代了多個晶體及其所有相關(guān)的負(fù)載電容器.由于這些32kHz振蕩器的上升/下降時間范圍從10s到100sns(取決于器件系列),因此無需擔(dān)心信號完整性或反射問題.

MEMS本質(zhì)上是小巧而堅固的,并且不需要笨重的包裝.由于MEMS振蕩器的內(nèi)部全部為硅,因此可以使用包括芯片規(guī)模封裝(CSP)在內(nèi)的最新的先進(jìn)半導(dǎo)體封裝技術(shù)對其進(jìn)行封裝.設(shè)計人員可以在CSP中選擇一種SiTime振蕩器配置,該封裝的尺寸不超過IC振蕩器裸片,尺寸僅為1.5x0.8mm,這是當(dāng)今最小的振蕩器的尺寸. 

電池壽命更長:

降低功耗變得越來越重要-可編程定時功能也有助于提高容量.可編程NanoDrive™就是這樣一種功能.使用NanoDrive,可以對輸出及相關(guān)的電壓擺幅進(jìn)行編程,以匹配下游的MCU或PMIC,從完整的LVCMOS(軌到軌)一直到輸出擺幅僅為200mV,從而大大降低了電流消耗.為什么要使用完整的LVCMOS輸出連接到電壓較低的低功耗MCU或IC的振蕩器維持電路?

該貼片振蕩器可在低至1.2V的寬電源電壓工作范圍內(nèi)延長電池壽命,非常適合電池供電的應(yīng)用,例如紐扣電池或超級電容備用電池.而且因為SiTime MEMS振蕩器的頻率可以編程為低至1Hz,輸出負(fù)載電流可以降低到MCU/IC工作頻率范圍的下限以降低功耗(功耗與C*V2*F成比例,其中C為電容,V為電壓F是頻率).例如,將輸出頻率從2MHz降低到500kHz,可使空載工作電流降低約70％.相反,石英晶體在較低頻率下物理上更大,因此,頻率低于32.768kHz的石英器件非常罕見.將低頻MEMS振蕩器與低電源電壓和Nano Drive輸出結(jié)合使用是有效降低功率的有效組合. 

降低系統(tǒng)功耗的另一種方法是選擇更好的頻率穩(wěn)定性選項,例如具有75ppm頻率穩(wěn)定性的32kHz MEMS振蕩器或具有高達(dá)±3ppm的穩(wěn)定性的32kHz MEMS溫補(bǔ)晶振.例如,在無線設(shè)備中,更好的穩(wěn)定性可以實現(xiàn)更好的睡眠時鐘精度(SCA),這與設(shè)備可以保持睡眠狀態(tài)并節(jié)省功耗的時間直接相關(guān).相反,使用穩(wěn)定性較差的時鐘會導(dǎo)致無線電接收器打開得更早并且保持打開時間更長,從而避免主機(jī)丟失數(shù)據(jù)包,從而導(dǎo)致系統(tǒng)消耗更多功率.MEMS Timekeeper延長了移動設(shè)備的待機(jī)壽命,并且醫(yī)療應(yīng)用現(xiàn)場可編程時序解決方案.

最后,另一種省電的方法是對功能引腳1進(jìn)行編程,該引腳可在SiTimeMHz振蕩器中使用.可以將該引腳編程為輸出使能(OE)或待機(jī)(ST).在兩種情況下拉動銷1低停止輸出振蕩.使用OE時,輸出驅(qū)動程序?qū)⒈唤貌⑦M(jìn)入Hi-Z模式,但設(shè)備的其余部分仍在運(yùn)行.由于輸出未激活,功耗降低.當(dāng)OE引腳拉回到高電平時,通常在<1µs內(nèi)激活輸出.使用ST,該設(shè)備的所有內(nèi)部電路都將關(guān)閉,并且功率降低到待機(jī)電流,通常在幾微安的范圍內(nèi).當(dāng)ST拉回到高電平時,貼片晶振輸出在大約3到10毫秒內(nèi)恢復(fù).

靈活的可編程定時:

在電池供電產(chǎn)品中,更小的尺寸與更低的功耗并駕齊驅(qū).MEMS貼片晶振計時系統(tǒng)提供了最多的可配置計時功能選擇,以減小尺寸和功耗.此外,SiTime MEMS計時系統(tǒng)的可編程平臺和豐富功能可提高性能并加快開發(fā)和制造時間,同時降低風(fēng)險.

從以上的分析來看,電池電源系統(tǒng)中采用小尺寸,功耗低的MEMS振蕩器優(yōu)勢更大,即不占空間還可以省電,現(xiàn)在全球都在倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保,而MEMS晶振的性能正好符合這一要求.它的性能和穩(wěn)定性也是比較優(yōu)越的,成本和一般的石英晶體振蕩器差不多,差不多的價位很多用戶更喜歡采用MEMS系列.

小尺寸低功耗的MEMS振蕩器能為電源模塊省電是真的嗎?