獨(dú)家推薦MEMS振蕩器應(yīng)用電機(jī)系統(tǒng)的可靠性與性能方案
來源：http://www.cnhxbh.com 作者：金洛鑫電子 2020年04月30
獨(dú)家推薦MEMS振蕩器應(yīng)用電機(jī)系統(tǒng)的可靠性與性能方案
參考定時(shí)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(shí)鐘.這些計(jì)時(shí)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(jī)電系統(tǒng))計(jì)時(shí)設(shè)備已開始迅速取代基于石英的設(shè)備,因?yàn)樗鼈兙哂懈叩目煽啃院汪敯粜?可抵御沖擊和振動(dòng),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(shí)間短.
MEMS振蕩器在惡劣的環(huán)境中更具彈性電子電機(jī)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(dòng)或沖擊.為了可靠地運(yùn)行,參考定時(shí)裝置必須具有很高的彈性.硅MEMS諧振器由于其設(shè)計(jì),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(qiáng).此外,振蕩器IC中先進(jìn)的模擬設(shè)計(jì)技術(shù)增加了MEMS振蕩器的彈性和性能.
為了滿足電機(jī)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(gè)溫度范圍內(nèi)
耐振動(dòng)(70g振動(dòng))-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(duì)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(shí)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(dòng):
沖擊力和振動(dòng)力會(huì)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(duì)機(jī)械力非常敏感,并且容易產(chǎn)生相位噪聲和振動(dòng)引起的抖動(dòng),以及沖擊引起的頻率尖峰.相反,MEMS諧振器的振動(dòng)較小,因?yàn)槠滟|(zhì)量比石英諧振器低1000至3000.這減小了由振動(dòng)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(dòng),其固有的抗振動(dòng)性.
振動(dòng)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(dòng)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(dòng)靈敏度較低.
圖1:振蕩器對(duì)正弦振動(dòng)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(shí)現(xiàn)較低的g敏感度.為了在現(xiàn)實(shí)條件下模擬設(shè)備的性能,SiTime在各種條件下測(cè)試了具有類似規(guī)格的MEMS和石英振蕩器,包括正弦振動(dòng)(如上所示),隨機(jī)振動(dòng)和沖擊沖擊.
圖2:振蕩器對(duì)500克沖擊的靈敏度
圖2顯示了在不同振蕩器上進(jìn)行機(jī)械沖擊測(cè)試的結(jié)果.一些石英設(shè)備對(duì)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(dòng)機(jī)控制設(shè)計(jì)中的重要考慮因素,因?yàn)殡姶?EM)能量會(huì)顯著影響振蕩器的性能.電動(dòng)機(jī)的開關(guān)動(dòng)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(shí)鐘信號(hào)的質(zhì)量.
與石英振蕩器相比,具有精心設(shè)計(jì)的模擬電路的MEMS振蕩器對(duì)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(jī)制以及振蕩器的模擬電路設(shè)計(jì).基于標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試表明,SiTime可編程振蕩器的性能優(yōu)于其他時(shí)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(shí)會(huì)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(huì)對(duì)時(shí)鐘抖動(dòng)產(chǎn)生負(fù)面影響.電源噪聲靈敏度(PSNS)是模擬電路設(shè)計(jì)中使用的參數(shù),它指示電路對(duì)電源噪聲的魯棒性.測(cè)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(jì)用于滿足高頻,低抖動(dòng)要求的石英表面聲波(SAW)振蕩器.
圖4顯示了對(duì)于50mV峰峰值電源噪聲,積分相位抖動(dòng)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(dòng)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(jí)模擬設(shè)計(jì)技術(shù)為其MEMS振蕩器設(shè)計(jì)模擬電路,以保護(hù)振蕩器免受電源引起的抖動(dòng)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(dòng)與電源開關(guān)噪聲頻率的關(guān)系有關(guān)EM-的測(cè)量結(jié)果和測(cè)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(dòng),請(qǐng)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(jì)時(shí)解決方案采用可編程架構(gòu)設(shè)計(jì).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(shí)間內(nèi)訂購(gòu)和交付,從而為設(shè)計(jì)人員提供了非常廣泛的可配置選項(xiàng).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(dòng)強(qiáng)度來控制上升和下降時(shí)間.此功能使設(shè)計(jì)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(jì)師可以在他們自己的實(shí)驗(yàn)室中使用現(xiàn)場(chǎng)MEMS可編程振蕩器和STime MachineII™振蕩器編程器對(duì)SiTime-MHz振蕩器進(jìn)行即時(shí)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(jì)人員開發(fā)原型時(shí)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(jì)時(shí)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?yàn)檫@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(jí)可靠性:SiTime振蕩器采用SOT23-5封裝,用于要求最高焊點(diǎn)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(jí)封裝)可用.工業(yè)電機(jī)控制應(yīng)用通常會(huì)經(jīng)受從極端溫度到高水平振動(dòng),沖擊和電源感應(yīng)噪聲的各種運(yùn)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(huì)因機(jī)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(diǎn),并為電機(jī)控制的設(shè)備提供了更強(qiáng)大,更可靠的定時(shí)解決方案.
獨(dú)家推薦MEMS振蕩器應(yīng)用電機(jī)系統(tǒng)的可靠性與性能方案
參考定時(shí)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(shí)鐘.這些計(jì)時(shí)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(jī)電系統(tǒng))計(jì)時(shí)設(shè)備已開始迅速取代基于石英的設(shè)備,因?yàn)樗鼈兙哂懈叩目煽啃院汪敯粜?可抵御沖擊和振動(dòng),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(shí)間短.
MEMS振蕩器在惡劣的環(huán)境中更具彈性電子電機(jī)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(dòng)或沖擊.為了可靠地運(yùn)行,參考定時(shí)裝置必須具有很高的彈性.硅MEMS諧振器由于其設(shè)計(jì),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(qiáng).此外,振蕩器IC中先進(jìn)的模擬設(shè)計(jì)技術(shù)增加了MEMS振蕩器的彈性和性能.
為了滿足電機(jī)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(gè)溫度范圍內(nèi)
耐振動(dòng)(70g振動(dòng))-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(duì)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(shí)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(dòng):
沖擊力和振動(dòng)力會(huì)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(duì)機(jī)械力非常敏感,并且容易產(chǎn)生相位噪聲和振動(dòng)引起的抖動(dòng),以及沖擊引起的頻率尖峰.相反,MEMS諧振器的振動(dòng)較小,因?yàn)槠滟|(zhì)量比石英諧振器低1000至3000.這減小了由振動(dòng)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(dòng),其固有的抗振動(dòng)性.
振動(dòng)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(dòng)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(dòng)靈敏度較低.
圖1:振蕩器對(duì)正弦振動(dòng)的敏感性
圖2:振蕩器對(duì)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(dòng)機(jī)控制設(shè)計(jì)中的重要考慮因素,因?yàn)殡姶?EM)能量會(huì)顯著影響振蕩器的性能.電動(dòng)機(jī)的開關(guān)動(dòng)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(shí)鐘信號(hào)的質(zhì)量.
與石英振蕩器相比,具有精心設(shè)計(jì)的模擬電路的MEMS振蕩器對(duì)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(jī)制以及振蕩器的模擬電路設(shè)計(jì).基于標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試表明,SiTime可編程振蕩器的性能優(yōu)于其他時(shí)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(duì)于50mV峰峰值電源噪聲,積分相位抖動(dòng)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(dòng)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(jí)模擬設(shè)計(jì)技術(shù)為其MEMS振蕩器設(shè)計(jì)模擬電路,以保護(hù)振蕩器免受電源引起的抖動(dòng)的影響.
MEMS振蕩器是可編程的:
SiTime計(jì)時(shí)解決方案采用可編程架構(gòu)設(shè)計(jì).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(shí)間內(nèi)訂購(gòu)和交付,從而為設(shè)計(jì)人員提供了非常廣泛的可配置選項(xiàng).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(dòng)強(qiáng)度來控制上升和下降時(shí)間.此功能使設(shè)計(jì)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(jì)師可以在他們自己的實(shí)驗(yàn)室中使用現(xiàn)場(chǎng)MEMS可編程振蕩器和STime MachineII™振蕩器編程器對(duì)SiTime-MHz振蕩器進(jìn)行即時(shí)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(jì)人員開發(fā)原型時(shí)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(xiàng) |
| 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(kuò)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(hào) | LVCMOS,LVPECL,LVDS,CML,HCSL,Nano Drive™ |
| 特殊功能 | 擴(kuò)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(dòng)強(qiáng)度 | 可編程的低電壓以獲得最佳的EMI;高,可驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載 |
除了上面顯示的豐富功能集之外,SiTime計(jì)時(shí)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?yàn)檫@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(jí)可靠性:SiTime振蕩器采用SOT23-5封裝,用于要求最高焊點(diǎn)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(jí)封裝)可用.工業(yè)電機(jī)控制應(yīng)用通常會(huì)經(jīng)受從極端溫度到高水平振動(dòng),沖擊和電源感應(yīng)噪聲的各種運(yùn)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(huì)因機(jī)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(diǎn),并為電機(jī)控制的設(shè)備提供了更強(qiáng)大,更可靠的定時(shí)解決方案.
獨(dú)家推薦MEMS振蕩器應(yīng)用電機(jī)系統(tǒng)的可靠性與性能方案
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