Az LPWAN-alkalmazásokhoz szükséges MHz-es és 32,768 kHz-es rezgőkvarcok megfelelő kiválasztása és kombinálása

A LoRaWAN®, NB-IoT, LTE-M vagy hasonló rádiós technológiákhoz használt tipikus LPWAN-eszköz két kvarc oszcillátorral működik. A MHz-es kvarc a rádióchip számára szolgáltatja a referenciát, és ezzel meghatározza a hordozófrekvenciát, a csatornarácsot és a rádiókapcsolat időzítését. Csak a rövid mérési, adási és vételi fázisok alatt működik. A 32,768 kHz-es kvarc a valós idejű órát (RTC) hajtja, és folyamatosan működik, még alvó üzemmódban is, amelyben az LPWAN-eszközök élettartamuk túlnyomó részét töltik.

Ebből két különböző optimalizálási cél következik: az MHz-es kvarc esetében a gyors és biztonságos beindulás számít minden ébredéskor. A 32,768 kHz-es kvarc esetében az RTC-oszcillátor lehető legkisebb állandó áramfelvétele a legfontosabb, egyidejűleg magas bekapcsolási tartalékkal. Mindkét célt ugyanazon paraméterrel érheti el: alacsony rezonanciaellenállással (ESR).

A MHz-es rezgőkvarc frekvenciáját a beépített rádió-IC határozza meg. Az LPWAN-alkalmazásokban a 24 MHz, 32 MHz, 38,4 MHz, 39 MHz, 40 MHz, 48 MHz, 50 MHz és 52 MHz frekvenciák elterjedtek. Mindig a chipgyártó adatlapja és referencia-terve a mérvadó, beleértve az ott előírt terhelhetőséget és frekvencia-pontosságot is.

A kivitel a rendelkezésre álló modulfelülettől függ. A PETERMANN-TECHNIK az alábbi sorozatokat kínálja LPWAN-alkalmazásokhoz:

Elektromos szempontból egy rezgő kvarc rezonancia-közelében a Butterworth–Van Dyke-féle helyettesítő áramkörrel írható le: egy sorba kapcsolt dinamikus induktivitás L_m, dinamikus kapacitás C_m és a veszteségi ellenállás R_m (ESR), ezzel párhuzamosan a statikus kapacitás C₀. Az ESR összefoglalja a rezonátor összes veszteségét. Az IC oszcillátor fokozatának kompenzálnia kell ezeket a veszteségeket.

A rádióchipekben és mikrokontrollerekben szokásos Pierce-kapcsolásban az inverter a C₁ és C₂ terhelő kondenzátorokkal együtt negatív bemeneti ellenállást hoz létre. Egyszerűsítve, a C₀ hatásának figyelmen kívül hagyásával a következő érvényes:

−R_neg ≈ − g_m / (ω² · C₁ · C₂), ahol ω = 2π · f

g_m: az oszcillátor fokozat meredeksége, C₁, C₂: külső terhelő kondenzátorok, beleértve a kivezetési és nyomvonal-kapacitásokat is

Ahhoz, hogy az oszcillátor biztonságosan beinduljon, a negatív ellenállás értékének jelentősen meg kell haladnia az ESR-t, még hőmérséklet-, tápfeszültség-, öregedési és alkatrész-szórási hatásoktól függetlenül is. Ezt az arányt a biztonsági tényező írja le:

SF = |−R_neg| / ESR_max

A gyakorlatban az SF ≥ 5-ös értékek felett tekinthetők biztonságosnak. Az IC-gyártó előírásai elsőbbséget élveznek.

A képlet a kvarc hatását mutatja: ha az ESR felére csökken, változatlan áramkör mellett a biztonsági tényező megduplázódik. Alternatív megoldásként ugyanaz a biztonsági tényező kisebb meredekséggel, g_m értékkel, és így alacsonyabb oszcillátorárammal is elérhető. Pontosan itt jön képbe exkluzív LRT-tervezésünk (Low ESR Resonator Technology), amely kifejezetten alacsony rezonanciaellenállásokra van kialakítva.

Bekapcsolás után a rezgésamplitúdó a zajból kiindulva exponenciálisan növekszik. Ennek a növekedésnek az időállandója közvetlenül függ a negatív ellenállás és az ESR közötti különbségtől:

τ ≈ 2 · L_m / ( |−R_neg| − ESR )

t_start ≈ τ · ln( A_end / A₀ )

A₀: Kezdeti amplitúdó (zaj), A_end: kialakuló amplitúdó

Minél nagyobb a különbség |−R_neg| és az ESR között, annál rövidebb a beállási idő. Az alacsony ESR különösen jelentős hatást fejt ki, ha az oszcillátor fokozat szűkösre van méretezve, például alacsony akkumulátor-feszültség, alacsony hőmérséklet vagy energiatakarékos konfigurációjú oszcillátorok esetén. Számítási példa: Ha |−R_neg| az ESR kétszerese, és az ESR felére csökken, akkor a τ időállandó egyharmadával rövidül.

A 32,768 kHz-es kvarc esetében az L_m a hangvilla-szerű kialakítás miatt nagyságrendekkel nagyobb, mint az MHz-es kvarc esetében. A beállási idő ezért jellemzően néhány száz milliszekundumtól másodpercekig terjed. Ilyenkor a csekély bekapcsolási tartalék különösen nagy jelentőséggel bír, a legrosszabb esetben az RTC az elemcsere után vagy hidegben egyáltalán nem indul el.

MHz-kvarc: energiafelhasználás ébredési ciklusonként

Amíg az MHz-os oszcillátor beindul, a rádióchip várakozik, és az architektúrától függően a mikrokontroller is aktív. Az eközben felhasznált energia minden ébredési ciklusnál megismétlődik:

ΔE_nap ≈ N · U_B · I_Sys · Δt_start

N: ébredési műveletek száma naponta, U_B: akkumulátor feszültsége, I_Sys: rendszeráram a bekapcsolódás során, Δt_start: a bekapcsolódási idő rövidülése

Számítási példa: Egy érzékelő percenként egyszer ébred fel, azaz naponta N = 1 440-szer. Ha a beindulási idő 0,5 ms-mal rövidül, akkor naponta 0,72 s várakozási időt takarít meg a rendszer, ami tízéves élettartam alatt körülbelül 44 perc aktív működést jelent.

32,768 kHz-es kvarc: az RTC állandó árama

Az RTC oszcillátor éjjel-nappal működik. Számos integrált áramkör lehetővé teszi a 32,768 kHz-es oszcillátor meredekségének vagy előfeszítő áramának beállítását, illetve automatikusan szabályozza az amplitúdót. Az alacsony ESR-értékű kvarc már kisebb meredekséggel is eléri a szükséges biztonsági tényezőt. Mivel az RTC-oszcillátor jelentősen hozzájárulhat egy LPWAN-eszköz nyugalmi áramfogyasztásához, minden ezen a területen elért megtakarítás hatással van a teljes élettartamra.

Hajtási szint

A kvarcban felvett teljesítmény (Drive Level) a kvarcáram és az ESR alapján számítható ki. Nem haladhatja meg az adatlapban megadott határértéket, amire különösen figyelni kell a miniatűr kvarcok esetében:

DL = I_Q² · ESR ≈ ESR · ( 2π · f · (C₀ + C_L) · U_Q )²

I_Q: a kvarcáram effektív értéke, U_Q: a kvarc feszültségének effektív értéke

A hangvillás kvarcok esetében az ESR értéke általában jelentősen emelkedik a méret csökkenésével. Minél kisebb a 32,768 kHz-es kvarc, annál szűkösebb lesz az oszcillátorfokozat azonos maradása mellett a lengésrezerva, és annál nagyobb meredekségre és áramra van szüksége az RTC-oszcillátornak.

A M3215RR modell rendkívül alacsony, max. 50 kΩ-os ESR-értéket kínál a miniatürizált 32,768 kHz-es oszcillátorok közül a legkedvezőbb áron. Ezért a tervezéshez az alábbi ajánlást adjuk: a leghatékonyabban a MHz-es kvarcoknál lehet helyet megtakarítani, míg a 32,768 kHz-es kvarcoknál az alacsony ESR-értékre érdemes támaszkodni.

Az általunk készített tervekben ezt az ajánlást nagyon jól fogadták. Gyakran használunk egy MHz-es oszcillátorkvarcot a SMD01612/4 vagy SMD02016/4 a M3215RR-vel együtt. Ez a kombináció ötvözi a kis méretet és az alacsony költségeket, és tapasztalataink szerint a legtöbb rendszeráramot takarítja meg. Mivel MHz-es és kHz-es oszcillátoraink az exkluzív LRT-tervezésen alapulnak, mindkét órajelforrás az áramkörben lévő rendkívül alacsony ellenállásainak köszönhetően nagyon gyorsan és megbízhatóan lép működésbe.

A kvarc csak akkor rezeg névleges frekvenciáján, ha az áramkör biztosítja a megadott terhelési kapacitást C_L. Ez a külső kondenzátorokból, valamint a kivezetések és a nyomvonalak szóráskapacitásából áll össze:

C_L = ( C₁ · C₂ ) / ( C₁ + C₂ ) + C_szórás

ha C₁ = C₂: C₁ = C₂ = 2 · ( C_L − C_szórás )

C_stray: jellemzően néhány pF, az IC-től és az elrendezéstől függően

Ha a tényleges terhelési kapacitás eltér a névértéktől, a frekvencia eltolódik. Az érzékenység (pulling-érzékenység) a következő:

S ≈ − C_m / ( 2 · ( C₀ + C_L )² ) · 10⁶ [ppm/pF]

A kis kvarcok kisebb dinamikus kapacitással (C_m) rendelkeznek, ezért valamivel kevésbé érzékenyek a kapacitáseltérésekre. A rádiós kapcsolat szempontjából a teljes frekvenciakapacitás számít, amely a 25 °C-os beállítási tűrésből, a hőmérsékleti stabilitásból, az öregedésből és a terhelési kapacitáshibából áll. Ennek a kapacitásnak a rádiós IC előírásain belül kell maradnia. Ha egy chip a hőmérséklet függvényében szűkebb frekvenciapontosságot igényel, mint amit egy rezgő kvarc biztosítani tud, a gyártó TCXO használatát írja elő. Ebben az esetben is szívesen adunk tanácsot a megfelelő kvarc oszcillátorokról.

Amennyiben az IC megengedi, az alacsonyabb terhelési kapacitás csökkenti az oszcillátor áramát: a kisebb C₁ és C₂ értékek a 3. szakaszban szereplő képlet szerint növelik a negatív ellenállást. Ugyanakkor azonban nő az S húzóérzékenység, így a szóráskapacitások erőteljesebben hatnak a frekvenciára.

• A kvarcot helyezze el a lehető legközelebb az IC oszcillátor-kivezetéseihez, a nyomvonalakat pedig rövidre és szimmetrikusan vezesse.
• A kvarc alatt biztosítson egy folytonos tömelfületet, ne vezessen jelvezetékeket a ház alatt.
• Tartsa be a távolságot a kapcsolószabályozóktól, az órajel-vezetékektől és a nagyfrekvenciás útvonalaktól.
• A 32,768 kHz-es kvarc esetében figyeljen a szivárgó áramokra: a forrasztóanyag-maradványok és a nedvesség terhelhetik a nagyon nagy ellenállású oszcillátorcsomópontot.
• A kész áramköri lapon határozza meg a szóráskapacitást C_stray, majd véglegesen állapítsa meg a C₁/C₂ értéket.

• A frekvenciát, a terhelési kapacitást és a frekvencia-pontosságot a rádió-IC adatlapjából és referencia-tervéből vegye át.
• A modul felületének megfelelően válasszuk ki a MHz-es kivitelű változatot, lehetőleg SMD01612/4 vagy SMD02016/4.
• Az RTC-hez a M3215RR típust kell használni.
• C₁/C₂ figyelembe véve a C_szórás értékét.
• A biztonsági tényezőt SF = |−R_neg| / ESR_max ≥ 5 értékre kell ellenőrizni a hőmérséklet és a tápfeszültség függvényében.
• A bekapcsolási időt és a meghajtási szintet a kész áramköri lapon kell mérni.
• Mérje meg a frekvenciát a táblán, és ellenőrizze a terhelhetőséget.

A Landsberg am Lech-i PETERMANN-TECHNIK GmbH 1996 óta a rezgőkvarcokra és a kvarcoszcillátorokra specializálódott. Gyártópartnerünkkel, akivel 1996 óta kizárólagos európai partnerség fűz minket össze, az LRT-technológiával (Low ESR Resonator Technology) különösen alacsony rezonanciaellenállású kvarcrezonátorokat kínálunk.

ISO 9001 tanúsítvánnyal rendelkező vállalatként mi vállaljuk a termékeink minőségéért való felelősséget. Alkalmazásmérnökeink a fejlesztőket az első áramköri tervtől egészen a kész áramköri lapon végzett mérésig kísérik végig.

LPWAN-modult fejleszt? Alkalmazásmérnökeink segítenek Önnek a kvarc kiválasztásában, a terhelhetőség és a beindulási biztonság tekintetében. Kapcsolat: www.petermann-technik.de

• A megfelelő kvarc kiválasztása LoRaWAN®-alkalmazásokhoz
• LRT oszcillátorok
• A negatív bemeneti ellenállás −Rneg és a bekapcsolási biztonsági tartalék ellenőrzése
• Ellenőrizze a kvarc ESR-értékét (Equivalent Series Resistance)
• A kvarc oszcillátor indítási idejének mérése
• A vezérlőszint és a kvarcáram mérése
• A C1/C2 külső kapacitások méretezése és a Cstray meghatározása
• A Cpar parazita kapacitások meghatározása a nyomtatott áramköri lapon
• A CL terhelési kapacitás mérése és ellenőrzése az áramkörben
• Miért nem rezeg a 32 768 kHz-es kvarcem?
• Kvarc-konfigurátor