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作者：Jehangir Parvereshi，sr。客户工程经理和 SiTime 营销总监 Harpreet Chohan
互联网连接设备或物联网 (IoT) 的爆炸性增长是由网络上的人员、设备和数据的融合推动的。随着产品从笔记本电脑到口袋再到身体，未来的增长将受到可穿戴技术的强烈影响。活动追踪器在每年出货量方面处于领先地位，其次是智能手表和医疗监视器/设备，以及可穿戴相机和智能眼镜。这些设备得益于 MEMS 和传感器技术、无线连接和新的节能功能的进步。
可穿戴设备利用新的计时技术
所有电子产品都需要一个或多个计时设备，具体取决于系统中的处理器、分区和各种功能。传统上，32.768-kHz 晶体和低功率 MHz 石英振荡器已被用于在电池供电的电子系统中实现时钟功能。与普遍存在的 32 kHz 晶体时钟相比，一种新型超低功耗、低频 MEMS 振荡器现在具有优势。MEMS 计时技术的创新正在对物联网和可穿戴设备产生重大影响，尤其是在尺寸和节能方面。
面向物联网和可穿戴设备的 MEMS 计时解决方案的主要优势包括：
占地面积更小——比石英小 80%
o 采用 1.5 × 0.8-mm 芯片级封装 (CSP) 的最小 32-kHz 振荡器
o 振荡器输出驱动多个负载，减少元件数量和电路板面积
更好的稳定性，高达 3 ppm — 转化为更高的节省
o MEMS XO（振荡器）的精度比石英高 2 到 3 倍
o MEMS TCXO（温度补偿振荡器）精度提高 30 倍至 40 倍
o 与石英 XTAL + SoC 振荡器相比，更好的稳定性意味着对网络计时更新的依赖更少，睡眠模式周期更长，功耗降低 30% 至 50%
用于传感器接口的可编程频率范围为 1 Hz 至 2.5 MHz——支持新的架构选项
更具弹性——抗冲击和振动能力提高 50 倍
全硅 MEMS 时序解决方案
与基于石英的设备不同，硅 MEMS 振荡器采用现代封装技术。MEMS 振荡器由安装在高性能可编程模拟振荡器 IC 顶部的 MEMS 谐振器芯片组成，该芯片被模制成标准低成本塑料 SMD 封装，其封装与石英器件兼容。为了支持超小型应用的空间要求，SiTime MEMS 振荡器可用于超小型 CSP。MEMS 振荡器基于可编程架构，允许自定义特性，包括频率、电源电压、输出摆幅和其他特性。
通过集成实现小型化、更小的封装尺寸和电路板布局灵活性
SiTime 振荡器提供更高的集成度、新的封装选项和其他可减小尺寸的功能。SiT15xx 32kHz MEMS 计时解决方案旨在替代空间和功率至关重要的移动、物联网和可穿戴应用中的传统石英晶体。这些器件还采用 2.0 x 1.2-mm (2012) SMD 封装，适用于需要晶体 (XTAL) 谐振器兼容性的设计。SiT15xx 2012 振荡器在两个大 XTAL 焊盘之间的中心区域具有电源 (Vdd) 和接地 (GND) 引脚，如图 1b 所示。
对于更小的尺寸，SiT15xx 器件采用 CSP 封装（图 1a），与现有的 2012 SMD 晶体封装相比，其占位面积减少高达 80%，比 1610 (1.6 × 1.0-mm) XTAL 小 60%包裹。由于 SiTime 的制造工艺，另一种选择是将 MEMS 谐振器芯片与 SoC、ASIC 或微处理器芯片集成在一个封装内的能力。此选项消除了外部时序组件，并提供了最高水平的集成和尺寸缩减。由于晶体谐振器的限制，石英供应商无法提供 CSP 或集成解决方案。
图 1：与石英 XTAL 相比，32kHz MEMS XO 和 TCXO 的封装尺寸和引脚位置。
与石英晶体不同，SiT15xx 输出直接驱动到芯片组的 XTAL-IN 引脚，无需输出负载电容器，如图2 所示。因为振荡器可以通过走线驱动时钟信号，所以它不需要放置在芯片组附近。此功能与超薄型（0.55 毫米高）相结合，可实现电路板布局的灵活性和额外的空间优化。除了消除外部负载电容器外，SiT15xx 器件还具有特殊的电源滤波功能，无需外部 Vdd 旁路去耦电容器，进一步简化了电路板设计和小型化。内部电源滤波旨在抑制高达 ±50 mVpp 至 5 MHz 的噪声。
图 2：与石英 XTAL 和所需电容器相比，32kHz MEMS XO 和 TCXO 的总占位面积。
通过低电流消耗延长电池寿命
低频、低功耗 32-kHz 计时设备广泛用于移动设备中，在这些设备中，设备持续开启以计时或控制睡眠模式。这些低频振荡器还用于对事件进行计时，例如电池供电设备中使用的电源管理 IC (PMIC) 中的监视和控制功能，或执行短时间系统唤醒以实现定时参考同步。
图 3：SiT153x 消耗小于 1µA 的电源过剩和温度。
测得的频率稳定性
与图 4所示的石英晶体相比，32kHz MEMS 计时器件的温度系数在整个温度范围内都非常平坦。SiT15xx 振荡器经过校准（修整）以确保频率稳定性在室温下低于 10 ppm，在整个 –40°C 至 85°C 温度范围内低于 100 ppm。相比之下，石英晶体具有经典的音叉抛物线温度曲线，其转换点为 25°C，如图 4 中的红线所示。
图 4：SiT1532 32-kHz MEMS XO 频率稳定性与石英 XTAL 相比，温度范围为 –160 至 –200 ppm。
图 5 绘制了 32kHz MEMS TCXO 的频率稳定性。在这些器件中，温度系数通过有源温度校正电路在整个温度范围内进行校准和校正。结果是一个 32-kHz TCXO 随温度变化的频率变化小于 5-ppm。这种低水平的频率变化会产生极其精确的时钟，从而显着节省功耗。凭借更高的准确性，无线系统对网络计时更新的依赖程度更低，并且可以在更长的时间内保持睡眠模式。
图 5：SiT1552 MEMS TCXO 频率稳定性比石英 XTAL 精确 30 到 40 倍。
通过更好的频率稳定性延长电池寿命
频率稳定性，即时钟在电压和温度范围内的稳定性，转化为节能。许多移动和物联网设备通过在不活动时关闭具有最高电流消耗的功能块来降低功耗。但是，系统必须唤醒并定期与网络通信。更高的频率稳定性使设备能够长时间保持在低功耗状态或睡眠状态，从而显着节省功耗。
许多可穿戴设备不断收集数据并通过智能手机等互联网集线器设备将其压缩并上传到云端。此上传以持续几毫秒的短脉冲传输，然后设备进入睡眠状态以节省电力。循环睡眠场景是典型的电池供电设备，其中设备内核在称为“睡眠时间”的预设时间内关闭，通常在 2 到 10 秒的范围内，并在需要传输数据时唤醒。短暂的爆发。连接事件是设备的某些功能块唤醒并在短时间内保持活动状态的“ON”时间。
图 6：早期开启时间（或窗口加宽）受时钟精度影响并导致功率损失。
功耗与“开启”时间与设备处于“睡眠”状态的时间之比成正比。而用于计时睡眠状态的 32 kHz 时钟的睡眠时钟精度 (SCA) 对电池寿命有直接影响。睡眠时钟不准确会导致无线电接收器 (RX) 更早开启并保持更长时间，以避免丢失来自主机的数据包。以 ppm 为单位测量的时钟不准确性会延长早期开启时间 (ΔT)，如图6所示：ΔT = (SCA) × (SLEEP TIME)。
下表显示更严格的从时钟精度可减少早期开启时间，从而降低功耗。
基于 MEMS 的 TCXO，例如 SiT1552，随温度变化的频率变化小于 5 ppm，是比石英晶体更准确的替代品。这种准确性减少了早期开启时间，并允许系统在睡眠模式下停留更长时间。使用 SiT1552，系统设计人员可以仅在需要时利用压缩和短脉冲传输数据，同时将设备长时间保持在最低功耗睡眠状态，并有可能实现高达两倍的电池寿命。
图 7：与石英 XTAL 谐振器相比，使用 MEMS TCXO 的电池寿命。
图 7 显示了与 200-ppm 32-kHz 石英晶体谐振器相比，使用 5-ppm 32-kHz TCXO 可节省 30% 的功率。显示的是 2 秒到 20 秒的各种睡眠时间在 1 个连接间隔内的平均电流消耗的两个图。这些每个周期的平均值是根据 1.8 µA 的 BLE SoC 睡眠电流、9.3 mA 的无线电接收器功率、9 mA 的发射功率和大约 5 mA 的平均开启时间基带处理电流计算得出的。
通过可编程功能延长电池寿命
SiT15xx 器件中的模拟振荡器 IC 支持多种功能，包括低噪声维持电路、超低功耗精密 PLL 和超低功耗可编程输出驱动器。具有亚赫兹分辨率的小数 N PLL 用于从 2.5 MHz 到 1 Hz 的器件校准和频率编程。降低输出频率的能力显着降低了电流消耗。石英 XTAL 由于低频时谐振器的物理尺寸限制，不提供低于 32.768 kHz 的频率。借助低频选项，SiT15xx 系列在参考时钟始终运行的电池供电应用中实现了新的架构可能性。
图 8：独特的 NanoDrive 输出摆幅可编程低至 200 mV，以最大限度地降低功耗。
与标准振荡器不同，SiT15xx 振荡器可以通过振荡器的高度可编程输出驱动器与片上 32 kHz 振荡器电路协同工作。输出驱动器可以生成各种共模电压和摆动电平，以匹配片上 32 kHz 振荡器电路的不同实现，如图 8 所示。该输出摆幅可在工厂编程，从全摆幅降至 200 mVpp，以实现最低功耗。降低输出频率和输出驱动器电流的能力显着降低了输出负载电流 (C × V × F)。有关负载计算的详细信息和示例，请参见 SiT15xx 数据表，网址为https://www.sitime.com/products/khz-oscillators和https://www.sitime.com/products/mpower-oscillators-1-hz-26-mhz。
MEMS 的鲁棒性提高 50 倍
就其应用的性质而言，物联网和可穿戴设备可用于各种环境，并且可能会受到频繁和极端的机械冲击和振动。在恶劣环境中运行时，石英振荡器会退化并且不符合数据表规范。一些石英振荡器对正弦振动和冲击特别敏感，并且会表现出显着的频率变化。与石英同类产品相比，SiT15xx 器件架构具有更高的可靠性和对恶劣环境因素的弹性。SiTime 谐振器的质量非常小（比石英谐振器小 1,000 倍）和结构设计使其对振动和冲击等外力具有极强的免疫力。有关 MEMS 振荡器的弹性和可靠性的更多详细信息，请参阅技术论文：https://www.sitime.com/sites/default/files/gated/AN10045-SiTime-Resilience-Reliability-MEMS-Oscillators_0.pdf。
应用和设计示例
在可穿戴市场中，产品的功能不断增加，同时它们必须消耗更少的功率和空间。32kHz MEMS 计时解决方案可用于真正的每秒脉冲 (pps) 计时、RTC 参考时钟和电池管理计时，以延长电池寿命并缩小占用空间。
图 9：典型的可穿戴计时架构。
图 9 显示了典型可穿戴设备的时钟需求。低功耗 32 位 MCU 使用 16-MHz 晶振为内核和外设提供时钟，而 32-kHz 晶振用于实时时钟。MCU 将数据发送到连接芯片，该芯片使用用于睡眠时钟计时的 32 kHz 晶体。
图 10：健身器计时示例 1。
图 10 说明了一种设计，其中可编程 1Hz 至 32kHz SiT1534 MEMS 振荡器用于传感器应用，32kHz MEMS SiT1532 参考时钟驱动 MCU 中的 RTC。在此设计中，通过使用 1.5 × 0.8-mm CSP 振荡器，电路板空间减少到一半以下。
图 11：健身器计时示例 2。
图 11 显示了一个架构，其中两个芯片需要 32-kHz 定时解决方案：微控制器的参考时钟和蓝牙芯片的睡眠时钟。在这个设计中，一个微型 1.5 × 0.8-mm CSP 中的 MEMS 计时器件驱动两个负载并取代了两个 32-kHz 石英 XTAL。占位面积比在 2012 SMD 封装中使用两个石英 XTAL 加上四个所需负载电容器的设计小八倍。与 BLE 芯片的内部 32-kHz RC 温度范围相比，该设计还显着节省了功耗，SiT1552 TCXO 的稳定性提高了 100 倍。
概括
基础技术的进步推动了快速增长的可穿戴设备和物联网领域的创新。MEMS 时序技术是实现更小尺寸、更低功耗和更高稳健性趋势的关键支持技术之一。
MEMS 时序通过以下方式减少占用空间：
更小、更独特的包装
更高的集成度可减少组件数量
电路板布局灵活性
MEMS 时序通过以下方式降低功耗：
降低核心电流消耗
更高的频率稳定性，可实现更长的睡眠状态
可编程频率
可编程输出摆幅电压
MEMS 时序通过以下方式提高稳健性：
更好的抗冲击和振动误差
MEMS XO/TCXO 为过去设计中使用的体积较大、精度较低的石英晶体时钟源提供了替代方案。随着物联网随着越来越小的电池供电设备继续扩展，基于低频 MEMS 的设备将提供最佳时序解决方案，并支持以前不可能的新产品。
审核编辑 黄昊宇
工商网监
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