作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

微控制器 (MCU) 及其相關(guān)軟件正在持續(xù)提升汽車(chē)性能，使其更加智能、安全和高效。為很好地發(fā)揮作用，MCU 需要準(zhǔn)確的定時(shí)源，以滿足實(shí)時(shí)執(zhí)行、通信協(xié)議和通用計(jì)時(shí)的需求。盡管工作環(huán)境惡劣，但這些時(shí)間測(cè)量必須準(zhǔn)確、可靠和具有高性價(jià)比。在此類(lèi)應(yīng)用中，晶體振蕩器對(duì)于確保精確定時(shí)和穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

在最嚴(yán)苛的汽車(chē)環(huán)境中，要保持精確的計(jì)時(shí)功能，容不得半點(diǎn)差池，因此需要采用能夠勝任這一關(guān)鍵角色的晶體振蕩器。然而，真正精通晶體選型細(xì)節(jié)的工程師寥寥無(wú)幾，這極易在產(chǎn)品整個(gè)壽命周期內(nèi)增大計(jì)時(shí)誤差風(fēng)險(xiǎn)。為此，可以采用適當(dāng)?shù)墓ぞ邅?lái)優(yōu)化和精簡(jiǎn)選型流程，以降低誤差風(fēng)險(xiǎn)。

本文首先簡(jiǎn)要討論汽車(chē)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨的計(jì)時(shí)問(wèn)題。然后介紹 AEC-Q200 認(rèn)證汽車(chē)零部件供應(yīng)商 ECS inc. 提供的選型工具，并展示該工具如何有助于汽車(chē) MCU 計(jì)時(shí)晶體的選型和實(shí)施。本文以 STMicroelectronics 的 SPC5x 和 STM8x 系列 MCU 為例進(jìn)行介紹。

晶體振蕩器

MCU 使用時(shí)基提供內(nèi)部時(shí)鐘，用于同步操作、生成內(nèi)部計(jì)時(shí)、觸發(fā)中斷以及實(shí)現(xiàn)如實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等功能。時(shí)鐘時(shí)基是一種精確的晶體振蕩器，用于確保計(jì)時(shí)精度和穩(wěn)定性不受溫度和時(shí)間的影響。

STMicroelectronics 的 SPC5x 和 STM8x 系列等汽車(chē) MCU 內(nèi)置了振蕩器，這種振蕩器包含一個(gè)反相放大器和一個(gè)反饋電阻。其中，反饋電阻連接在反相器輸入與輸出端之間，能確保其始終工作于線性放大狀態(tài)。如壓電晶體及其相關(guān)電路等諧振元件與內(nèi)部反相器相連，以形成完整的振蕩器（圖 1，左）。

圖 1：當(dāng)外部晶體諧振器及其關(guān)聯(lián)電路連接到 MCU 的內(nèi)部反相器和反饋電阻器（左）時(shí)，即構(gòu)成時(shí)鐘振蕩器；晶體同時(shí)具有串聯(lián)和并聯(lián)諧振點(diǎn)（右）。（圖片來(lái)源：ECS Inc.）

晶體的電阻器、電感器和電容器 (RLC) 等效電路模型由一個(gè)電感器 (L 1 )、一個(gè)電容器 (C 1 ) 和一個(gè)電阻器 (R 1 ) 串聯(lián)組成。與串聯(lián)元件并聯(lián)的是并聯(lián)電容器 (C 0 )，作為反相器、晶體封裝和關(guān)聯(lián)線路的輸入和輸出電容。串聯(lián)支路決定晶體的串聯(lián)諧振頻率 (F s )。并聯(lián)電容器與串聯(lián)支路共振，產(chǎn)生晶體的并聯(lián)諧振頻率，或稱反諧振頻率 (F a )。電抗圖顯示了兩種諧振（圖 1，右）；串聯(lián)諧振頻率總低于并聯(lián)諧振頻率。

設(shè)置振蕩器的頻率時(shí)，通常使其位于串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振點(diǎn)之間，并利用電容負(fù)載來(lái)調(diào)節(jié)振蕩器頻率。晶體的標(biāo)稱頻率與精確的負(fù)載電容相關(guān)聯(lián)。負(fù)載電容大于晶體的標(biāo)稱負(fù)載時(shí)會(huì)降低振蕩器頻率；反之，則會(huì)提高振蕩器頻率。

圖 1 所示的振蕩器為 Pierce 配置振蕩器。該振蕩器由兩個(gè)支路組成：有源支路是 MCU 的內(nèi)部反相器，無(wú)源支路由晶體及其關(guān)聯(lián)元件組成。晶體與電容器 C1 和 CC 構(gòu)成振蕩器反饋回路中的選頻 pi 網(wǎng)絡(luò)。pi 濾波器能在所需的振蕩器頻率處進(jìn)行 180° 相移。

振蕩器的起振條件

振蕩器是一個(gè)反饋電路，用于啟動(dòng)和維持穩(wěn)定的振蕩。從理論上講，振蕩器起振的反饋條件是環(huán)路具有統(tǒng)一的增益和零度相移。反饋回路中的晶體是一種無(wú)源元件，會(huì)產(chǎn)生相關(guān)損耗。有源支路提供的負(fù)電阻必須大于晶體的等效串聯(lián)電阻 (ESR)，振蕩器才能工作。晶體損耗是晶體 ESR、振蕩器頻率以及電路并聯(lián)電容和負(fù)載電容的函數(shù)。晶體的 ESR 可在其數(shù)據(jù)表中找到。振蕩器的負(fù)電阻應(yīng)至少是 ESR 的五倍。

振蕩器起振的另一種方法是考慮其跨導(dǎo)（g m ），單位為毫安/伏 (mA/V)。這種情況下，反相器的增益必須超過(guò)反饋回路的損耗。振蕩器環(huán)路增益的理論最小值為 1，但這并非實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)的限制值。實(shí)際上，放大器的增益裕度應(yīng)為最嚴(yán)重情況下臨界增益 (g mcrit ) 的五倍。gmcrit 是振蕩器維持穩(wěn)定振蕩所需的最小跨導(dǎo)。臨界增益是 ESR、頻率和電容的函數(shù)，表達(dá)式為：gmcrit = 4 × ESR × (2pF)^2^ × (C0 + C L ) ^2^ 。

振蕩器的跨導(dǎo)可在 MCU 的數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到。

作為最嚴(yán)重情況下的臨界增益函數(shù)，Gmcrit-Max 使用相同的公式，但輸入的是數(shù)據(jù)表中每個(gè)晶體參數(shù)的最大值。如果振蕩器的增益大于 Gmcrit-Max 的五倍，則可確保在任何條件下都能正常工作。

起振性能的評(píng)估依據(jù)是：振蕩器在電路可能遭遇到的所有環(huán)境條件下的持續(xù)起振運(yùn)行能力，以及其延遲時(shí)間，即起振所需的時(shí)間（圖 2）。

圖 2：隨著 VDD 增加，振蕩器在達(dá)到單位增益時(shí)起振。從 VDD 大于零伏開(kāi)始測(cè)量起振時(shí)間，直到振蕩器在晶體頻率下穩(wěn)定工作。（圖片來(lái)源：ECS Inc.）

晶體的驅(qū)動(dòng)功率水平

流經(jīng)晶體的過(guò)電流會(huì)導(dǎo)致晶體產(chǎn)生耗散功率。驅(qū)動(dòng)功率水平是通過(guò)晶體的電流有效值的平方與 ESR 的乘積。晶體有最大標(biāo)稱驅(qū)動(dòng)功率水平，通常以毫瓦 (mW) 或微瓦 (μW) 為單位。超過(guò)最大驅(qū)動(dòng)功率水平會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定、模態(tài)跳變、產(chǎn)品壽命縮短甚至晶體失效。此外，如果驅(qū)動(dòng)功率水平過(guò)低，振蕩器可能無(wú)法起振。

可通過(guò)在晶體上串聯(lián)一個(gè)電阻來(lái)控制驅(qū)動(dòng)功率水平。圖 1 中的電阻 RS 就是一個(gè)很好的例子；該電阻會(huì)控制流經(jīng)晶體的電流，并使驅(qū)動(dòng)功率水平保持在規(guī)定范圍內(nèi)。

晶體的工作模式

晶體元件的尺寸決定了其基頻。隨著晶體元件厚度的減小，其頻率也會(huì)增大。某些情況下，晶體會(huì)因?yàn)樘『吞喽鵁o(wú)法可靠運(yùn)行。這個(gè)極限頻率約為 50 兆赫 (MHz)。

在較高頻下工作的晶體振蕩器，采用專門(mén)用于凸顯晶體基頻奇次諧波的晶體。這些諧波模式頻率被稱為泛音。泛音晶體以諧波數(shù)來(lái)命名，如第三、第五或第七泛音模式。這類(lèi)晶體具有與基頻晶體不同的結(jié)構(gòu)特性。在泛音振蕩器設(shè)計(jì)中可引入 LC 振蕩回路等電路元件，以抑制基頻振蕩，確保電路在所需的泛音頻率下穩(wěn)定工作。

頻率公差和穩(wěn)定性

頻率公差是指振蕩器與設(shè)計(jì)頻率之間的測(cè)量偏差。公差通常以百萬(wàn)分之幾 (ppm) 為單位，且通常在 +25°C 的溫度下測(cè)量。

頻率穩(wěn)定性用來(lái)衡量振蕩器頻率隨時(shí)間或在給定溫度范圍內(nèi)的變化程度。頻率穩(wěn)定性的單位也是 ppm。影響晶體穩(wěn)定性的因素有很多，包括溫度、工作電壓和老化（即晶體頻率隨時(shí)間緩慢變化）。老化程度以 ppm 每年為單位。過(guò)度驅(qū)動(dòng)晶體也會(huì)降低其穩(wěn)定性。

需要說(shuō)明的是，1 ppm 意味著 1 MHz 晶體的頻率可能變化 1 赫茲 (Hz)，相當(dāng)于 0.0001%。例如，公差為 30 ppm 的 8 MHz 晶體的頻率與其標(biāo)稱頻率相比可能會(huì)有 240 Hz 的變化。

通過(guò) AEC-Q200 認(rèn)證

與其他用于電動(dòng)汽車(chē)的無(wú)源器件一樣，晶體也必須符合該環(huán)境的嚴(yán)苛要求，包括 AEC-Q200 抗應(yīng)力全球標(biāo)準(zhǔn)。如果零件通過(guò)了嚴(yán)苛的應(yīng)力測(cè)試，則可認(rèn)為這些零件獲得了“AEC-Q200”認(rèn)證，具體測(cè)試包括溫度、熱沖擊、耐濕性、尺寸公差、耐溶劑性、機(jī)械沖擊、振動(dòng)、靜電放電、可焊性和電路板彎曲等測(cè)試。

晶體的選型工具

使用 ECS Inc. 的汽車(chē)級(jí)[晶體選型工具]，可實(shí)現(xiàn)汽車(chē)級(jí)晶體與 STMicroelectronics 的 SPC5 和 STM8 車(chē)規(guī)級(jí) MCU 的精準(zhǔn)匹配。

打開(kāi)選型工具，設(shè)計(jì)人員會(huì)看到 SPC5 和 STM8 MCU 以及 ECS 車(chē)規(guī)級(jí)晶體清單，以及晶體振蕩器的參數(shù)顯示窗口（圖 3）。

圖 3：汽車(chē)級(jí)晶體選型工具的主頁(yè)顯示 MCU 和晶體清單。（圖片來(lái)源：ECS Inc.）

STMicro MCU 列于藍(lán)色部分。晶體在白色部分列出。選型過(guò)程從 MCU 選擇開(kāi)始，例如 MCU 清單頂部的 [SPC56AP] （圖 4）。

圖 4：選擇 SPC56AP MCU 后，將顯示兼容晶體及其相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。(圖片來(lái)源：ECS Inc.）

選擇 SPC56AP MCU 時(shí)，選型工具會(huì)更新晶體清單，只顯示與該 MCU 兼容的晶體及其相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。此時(shí)，設(shè)計(jì)人員就可選擇所需的參數(shù)。例如，假設(shè)需要 8 MHz 的時(shí)鐘頻率和 23.42 的最高增益裕度。做出這些選擇后，晶體選型就只剩下一個(gè)零件了，即 [ECS-80-8-30Q-VY-TR] 晶體（圖 5）。

圖 5：選擇所需的晶體參數(shù)，精確定位 ECS-80-8-30Q-VY-TR 晶體。(圖片來(lái)源：ECS Inc.）

這款 8 MHz 晶體設(shè)計(jì)用于在 8 皮法 (pF) 容性負(fù)載下工作，容差為 30 ppm。與 SPC56AP 配合使用時(shí)，其 gmcrit 為 0.17 mA/V，gm 為 4 mA/V，實(shí)際增益裕度為 23.42。根據(jù) Gmcrit-Max 計(jì)算，最嚴(yán)重情況下的增益裕度為 5。

另一個(gè)示例是使用 [STM8AF] 處理器，其時(shí)鐘頻率為 24 MHz。選擇該輸入時(shí)會(huì)得到 [ECS-240-8-33B2Q-CVY-TR3] （圖 6），這是一款 24 MHz 晶體，可在 8 pF 容性負(fù)載和 10 ppm 頻率容差下工作。

圖 6：為工作頻率為 24 MHz 的 STM8AF 處理器選擇晶振的結(jié)果是 ECS-240-8-33B2Q-CVY-TR3。（圖片來(lái)源：ECS Inc.）

選型指南中的所有晶體均符合 AEC-200 標(biāo)準(zhǔn)，工作溫度范圍為 -40 至 150°C。

結(jié)語(yǔ)

汽車(chē) MCU 的工作環(huán)境極具挑戰(zhàn)性，必須選擇合適的時(shí)鐘晶體提供計(jì)時(shí)支撐。選擇時(shí)鐘晶體需要了解多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，包括頻率、溫度范圍、容差、穩(wěn)定性、ESR 和跨導(dǎo)，以確保精確的定時(shí)和穩(wěn)定性。ECS Inc. 提供了一種工具，有助于設(shè)計(jì)人員從與 STM8x 和 SPC5x 系列 MCU 匹配的各種 AEC-Q200 認(rèn)證晶體中進(jìn)行選擇。