獨家推薦MEMS振蕩器應(yīng)用電機系統(tǒng)的可靠性與性能方案
來源：http://www.kaikei-kansa.com 作者：金洛鑫電子 2020年04月30
獨家推薦MEMS振蕩器應(yīng)用電機系統(tǒng)的可靠性與性能方案
參考定時設(shè)備(例如諧振器和振蕩器)用于電子馬達(dá)控制電路中,以提供穩(wěn)定的參考時鐘.這些計時設(shè)備在歷史上一直基于石英晶體技術(shù)-以前是唯一可行的選擇.但是,近年來,硅MEMS(微機電系統(tǒng))計時設(shè)備已開始迅速取代基于石英的設(shè)備,因為它們具有更高的可靠性和魯棒性,可抵御沖擊和振動,在高溫下具有更好的頻率穩(wěn)定性,具有可編程功能,并且交貨時間短.
MEMS振蕩器在惡劣的環(huán)境中更具彈性電子電機被廣泛用于各種應(yīng)用中,并且經(jīng)常受到環(huán)境壓力的影響,包括非常高的溫度以及高水平的噪聲,振動或沖擊.為了可靠地運行,參考定時裝置必須具有很高的彈性.硅MEMS諧振器由于其設(shè)計,更小的質(zhì)量和超干凈的制造工藝,其固有的性能比石英強.此外,振蕩器IC中先進(jìn)的模擬設(shè)計技術(shù)增加了MEMS振蕩器的彈性和性能.
為了滿足電機控制需求,SiTime MEMS振蕩器具有以下功能.
較高的工作溫度-MHz振蕩器高達(dá)125℃,kHz振蕩器高達(dá)105℃
出色的頻率穩(wěn)定性-在整個溫度范圍內(nèi)
耐振動(70g振動)-最高可達(dá)石英振蕩器的30倍
耐沖擊(50,000克沖擊)-高達(dá)石英振蕩器的25倍
低電磁敏感性(EMS)-比石英振蕩器好50倍
對電源噪聲(PSNS)的靈敏度低-比石英晶體振蕩器高10倍<1FIT率(10億小時MTBF)下的更高可靠性-比石英振蕩器高30倍
MEMS振蕩器更耐沖擊和振動:
沖擊力和振動力會降低性能,并導(dǎo)致石英振蕩器發(fā)生故障.晶體諧振器是懸臂結(jié)構(gòu),可能對機械力非常敏感,并且容易產(chǎn)生相位噪聲和振動引起的抖動,以及沖擊引起的頻率尖峰.相反,MEMS諧振器的振動較小,因為其質(zhì)量比石英諧振器低1000至3000.這減小了由振動引起的加速度施加到諧振器的力.SiTime MEMS諧振器是剛性結(jié)構(gòu),可在體模式下在平面內(nèi)振動,其固有的抗振動性.
振動靈敏度或g靈敏度(以ppb/g表示)表示由加速力引起的頻率變化.圖1繪制了以ppb/g為單位的正弦振動引起的噪聲雜散,以證明與基于石英的振蕩器相比,SiTime MEMS振蕩器在不同頻率下的振動靈敏度較低.
圖1:振蕩器對正弦振動的敏感性
此外,SiTime振蕩器在1.5x0.8mm的微型封裝(kHz振蕩器)和2.0x1.6QFN和SOT23-5小型封裝(MHz振蕩器)中提供0.1ppb/g的性能.石英設(shè)備必須使用大型專用包裝才能實現(xiàn)較低的g敏感度.為了在現(xiàn)實條件下模擬設(shè)備的性能,SiTime在各種條件下測試了具有類似規(guī)格的MEMS和石英振蕩器,包括正弦振動(如上所示),隨機振動和沖擊沖擊.
圖2:振蕩器對500克沖擊的靈敏度
圖2顯示了在不同振蕩器上進(jìn)行機械沖擊測試的結(jié)果.一些石英設(shè)備對沖擊特別敏感,并表現(xiàn)出明顯的頻率偏差.
MEMS振蕩器高度抗電磁能量和電源噪聲:
電磁敏感性(EMS)是電動機控制設(shè)計中的重要考慮因素,因為電磁(EM)能量會顯著影響振蕩器的性能.電動機的開關(guān)動作可能是瞬態(tài)干擾(電磁脈沖)的主要來源.電源和其他電子組件也可能發(fā)射EM能量,從而產(chǎn)生雜散噪聲并降低時鐘信號的質(zhì)量.
與石英振蕩器相比,具有精心設(shè)計的模擬電路的MEMS振蕩器對EM噪聲不那么敏感.石英振蕩器封裝上的金屬蓋不能保證免受電磁力的影響.EMS的性能更多地取決于固有的諧振器阻抗和耦合機制以及振蕩器的模擬電路設(shè)計.基于標(biāo)準(zhǔn)的測試表明,SiTime可編程振蕩器的性能優(yōu)于其他時鐘設(shè)備,如圖3所示.
圖3:各種振蕩器上的平均電磁感應(yīng)相位噪聲雜散
系統(tǒng)中的電源可能是不利于系統(tǒng)性能的主要噪聲源,并且在打開和關(guān)閉電源時會放大此噪聲.大部分噪聲可以通過無源濾波器和去耦電容器濾除.但是,仍然存在一些噪聲,電路板問題(例如接地反彈)會對時鐘抖動產(chǎn)生負(fù)面影響.電源噪聲靈敏度(PSNS)是模擬電路設(shè)計中使用的參數(shù),它指示電路對電源噪聲的魯棒性.測試結(jié)果表明,SiTime振蕩器的PSNS遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于石英晶振,包括設(shè)計用于滿足高頻,低抖動要求的石英表面聲波(SAW)振蕩器.
圖4顯示了對于50mV峰峰值電源噪聲,積分相位抖動與電源開關(guān)噪聲頻率的關(guān)系,并將石英振蕩器與SiTime MEMS振蕩器的結(jié)果進(jìn)行了比較.如圖所示,SiTime MEMS振蕩器的抖動在幾乎所有噪聲頻率下均較低.與典型的石英振蕩器制造商不同,SiTime使用包括PSNS電路在內(nèi)的高級模擬設(shè)計技術(shù)為其MEMS振蕩器設(shè)計模擬電路,以保護(hù)振蕩器免受電源引起的抖動的影響.
圖4:SiTime MEMS振蕩器(下部線路)和石英振蕩器在存在50mV峰峰值電源噪聲的情況下的相位抖動與電源開關(guān)噪聲頻率的關(guān)系有關(guān)EM-的測量結(jié)果和測試方法的更多詳細(xì)信息感應(yīng)的相位噪聲和電源感應(yīng)的相位抖動,請參見SiTime技術(shù)論文MEMS和基于石英的振蕩器的電磁敏感性比較.
MEMS振蕩器是可編程的:
SiTime計時解決方案采用可編程架構(gòu)設(shè)計.各種各樣的規(guī)格已經(jīng)過工廠編程,可以在很短的交貨時間內(nèi)訂購和交付,從而為設(shè)計人員提供了非常廣泛的可配置選項.例如,輸出頻率可以在很寬的工作范圍內(nèi)進(jìn)行編程,精度為六位小數(shù).SiTime設(shè)備具有特殊功能,例如可編程的驅(qū)動強度來控制上升和下降時間.此功能使設(shè)計人員可以更改輸出邊沿速率,從而降低系統(tǒng)內(nèi)的EMI.
另外,系統(tǒng)設(shè)計師可以在他們自己的實驗室中使用現(xiàn)場MEMS可編程振蕩器和STime MachineII™振蕩器編程器對SiTime-MHz振蕩器進(jìn)行即時編程.由于SiTime振蕩器具有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的尺寸,因此它們是石英器件的直接替代品,并且在設(shè)計人員開發(fā)原型時可以輕松替換石英器件.
MEMS振蕩器封裝的樣式和尺寸:
除了上面顯示的豐富功能集之外,SiTime計時產(chǎn)品還提供了一系列軟件包,以適應(yīng)應(yīng)用程序需求.石英的直接替代:SiTime行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QFN塑料封裝(2012、2016、2520、3225、5032和7050)與石英器件引腳兼容.因為這些封裝適合常見的石英振蕩器PCB焊盤布局,所以MEMS振蕩器可以輕松地用任何電路板更換代替石英器件.
最高的板級可靠性:SiTime振蕩器采用SOT23-5封裝,用于要求最高焊點可靠性的應(yīng)用.超小型:2012QFN封裝中提供32kHz振蕩器,超小型1508(1.5x0.8x0.6Hmm)CSP(芯片級封裝)可用.工業(yè)電機控制應(yīng)用通常會經(jīng)受從極端溫度到高水平振動,沖擊和電源感應(yīng)噪聲的各種運行環(huán)境.在這些惡劣條件下,參考振蕩器必須符合其規(guī)格,并且不會因機械或電氣損壞而失效.如果有源晶振沒有彈性,則有可能導(dǎo)致災(zāi)難性故障.MEMS振蕩器克服了傳統(tǒng)石英振蕩器的缺點,并為電機控制的設(shè)備提供了更強大,更可靠的定時解決方案.
獨家推薦MEMS振蕩器應(yīng)用電機系統(tǒng)的可靠性與性能方案
參考定時設(shè)備(例如諧振器和振蕩器)用于電子馬達(dá)控制電路中,以提供穩(wěn)定的參考時鐘.這些計時設(shè)備在歷史上一直基于石英晶體技術(shù)-以前是唯一可行的選擇.但是,近年來,硅MEMS(微機電系統(tǒng))計時設(shè)備已開始迅速取代基于石英的設(shè)備,因為它們具有更高的可靠性和魯棒性,可抵御沖擊和振動,在高溫下具有更好的頻率穩(wěn)定性,具有可編程功能,并且交貨時間短.
MEMS振蕩器在惡劣的環(huán)境中更具彈性電子電機被廣泛用于各種應(yīng)用中,并且經(jīng)常受到環(huán)境壓力的影響,包括非常高的溫度以及高水平的噪聲,振動或沖擊.為了可靠地運行,參考定時裝置必須具有很高的彈性.硅MEMS諧振器由于其設(shè)計,更小的質(zhì)量和超干凈的制造工藝,其固有的性能比石英強.此外,振蕩器IC中先進(jìn)的模擬設(shè)計技術(shù)增加了MEMS振蕩器的彈性和性能.
為了滿足電機控制需求,SiTime MEMS振蕩器具有以下功能.
較高的工作溫度-MHz振蕩器高達(dá)125℃,kHz振蕩器高達(dá)105℃
出色的頻率穩(wěn)定性-在整個溫度范圍內(nèi)
耐振動(70g振動)-最高可達(dá)石英振蕩器的30倍
耐沖擊(50,000克沖擊)-高達(dá)石英振蕩器的25倍
低電磁敏感性(EMS)-比石英振蕩器好50倍
對電源噪聲(PSNS)的靈敏度低-比石英晶體振蕩器高10倍<1FIT率(10億小時MTBF)下的更高可靠性-比石英振蕩器高30倍
MEMS振蕩器更耐沖擊和振動:
沖擊力和振動力會降低性能,并導(dǎo)致石英振蕩器發(fā)生故障.晶體諧振器是懸臂結(jié)構(gòu),可能對機械力非常敏感,并且容易產(chǎn)生相位噪聲和振動引起的抖動,以及沖擊引起的頻率尖峰.相反,MEMS諧振器的振動較小,因為其質(zhì)量比石英諧振器低1000至3000.這減小了由振動引起的加速度施加到諧振器的力.SiTime MEMS諧振器是剛性結(jié)構(gòu),可在體模式下在平面內(nèi)振動,其固有的抗振動性.
振動靈敏度或g靈敏度(以ppb/g表示)表示由加速力引起的頻率變化.圖1繪制了以ppb/g為單位的正弦振動引起的噪聲雜散,以證明與基于石英的振蕩器相比,SiTime MEMS振蕩器在不同頻率下的振動靈敏度較低.
圖1:振蕩器對正弦振動的敏感性
圖2:振蕩器對500克沖擊的靈敏度
MEMS振蕩器高度抗電磁能量和電源噪聲:
電磁敏感性(EMS)是電動機控制設(shè)計中的重要考慮因素,因為電磁(EM)能量會顯著影響振蕩器的性能.電動機的開關(guān)動作可能是瞬態(tài)干擾(電磁脈沖)的主要來源.電源和其他電子組件也可能發(fā)射EM能量,從而產(chǎn)生雜散噪聲并降低時鐘信號的質(zhì)量.
與石英振蕩器相比,具有精心設(shè)計的模擬電路的MEMS振蕩器對EM噪聲不那么敏感.石英振蕩器封裝上的金屬蓋不能保證免受電磁力的影響.EMS的性能更多地取決于固有的諧振器阻抗和耦合機制以及振蕩器的模擬電路設(shè)計.基于標(biāo)準(zhǔn)的測試表明,SiTime可編程振蕩器的性能優(yōu)于其他時鐘設(shè)備,如圖3所示.
圖3:各種振蕩器上的平均電磁感應(yīng)相位噪聲雜散
圖4顯示了對于50mV峰峰值電源噪聲,積分相位抖動與電源開關(guān)噪聲頻率的關(guān)系,并將石英振蕩器與SiTime MEMS振蕩器的結(jié)果進(jìn)行了比較.如圖所示,SiTime MEMS振蕩器的抖動在幾乎所有噪聲頻率下均較低.與典型的石英振蕩器制造商不同,SiTime使用包括PSNS電路在內(nèi)的高級模擬設(shè)計技術(shù)為其MEMS振蕩器設(shè)計模擬電路,以保護(hù)振蕩器免受電源引起的抖動的影響.
MEMS振蕩器是可編程的:
SiTime計時解決方案采用可編程架構(gòu)設(shè)計.各種各樣的規(guī)格已經(jīng)過工廠編程,可以在很短的交貨時間內(nèi)訂購和交付,從而為設(shè)計人員提供了非常廣泛的可配置選項.例如,輸出頻率可以在很寬的工作范圍內(nèi)進(jìn)行編程,精度為六位小數(shù).SiTime設(shè)備具有特殊功能,例如可編程的驅(qū)動強度來控制上升和下降時間.此功能使設(shè)計人員可以更改輸出邊沿速率,從而降低系統(tǒng)內(nèi)的EMI.
另外,系統(tǒng)設(shè)計師可以在他們自己的實驗室中使用現(xiàn)場MEMS可編程振蕩器和STime MachineII™振蕩器編程器對SiTime-MHz振蕩器進(jìn)行即時編程.由于SiTime振蕩器具有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的尺寸,因此它們是石英器件的直接替代品,并且在設(shè)計人員開發(fā)原型時可以輕松替換石英器件.
表1:SiTime振蕩器中的各種可配置功能
| 特征 | SiTime振蕩器的配置選項 |
| 可自定義頻率 | 從1Hz到725MHz,精度為6位小數(shù) |
| 頻率穩(wěn)定度 | 在kHz振蕩器中高達(dá)±3ppm,在MHzTCXO中高達(dá)±0.5ppm |
| 溫度范圍 | 高溫(-55~+125℃和-40~+125℃),擴展工業(yè)(-40~+105℃),工業(yè)(-40~+85℃)或外部.商業(yè)(-20~+70℃) |
| 電源電壓 | kHz振蕩器:1.2至3.3V;MHz振蕩器:1.8V(CMOS),2.5V,2.8V或3.3V(可在2.5至3.3V之間定制) |
| 輸出信號 | LVCMOS,LVPECL,LVDS,CML,HCSL,Nano Drive™ |
| 特殊功能 | 擴頻,數(shù)字拉力,通過12C/SPI的系統(tǒng)內(nèi)可編程性 |
| 拉范圍 | 高達(dá)±3200ppm |
| 驅(qū)動強度 | 可編程的低電壓以獲得最佳的EMI;高,可驅(qū)動多個負(fù)載 |
除了上面顯示的豐富功能集之外,SiTime計時產(chǎn)品還提供了一系列軟件包,以適應(yīng)應(yīng)用程序需求.石英的直接替代:SiTime行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QFN塑料封裝(2012、2016、2520、3225、5032和7050)與石英器件引腳兼容.因為這些封裝適合常見的石英振蕩器PCB焊盤布局,所以MEMS振蕩器可以輕松地用任何電路板更換代替石英器件.
最高的板級可靠性:SiTime振蕩器采用SOT23-5封裝,用于要求最高焊點可靠性的應(yīng)用.超小型:2012QFN封裝中提供32kHz振蕩器,超小型1508(1.5x0.8x0.6Hmm)CSP(芯片級封裝)可用.工業(yè)電機控制應(yīng)用通常會經(jīng)受從極端溫度到高水平振動,沖擊和電源感應(yīng)噪聲的各種運行環(huán)境.在這些惡劣條件下,參考振蕩器必須符合其規(guī)格,并且不會因機械或電氣損壞而失效.如果有源晶振沒有彈性,則有可能導(dǎo)致災(zāi)難性故障.MEMS振蕩器克服了傳統(tǒng)石英振蕩器的缺點,并為電機控制的設(shè)備提供了更強大,更可靠的定時解決方案.
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