Energooszczędna i bardzo szybka transmisja danych lub pozycjonowanie po trybie uśpienia jest możliwe tylko z bardzo dokładnym i szybkim zegarem systemowym 32,768 kHz. Dzięki oscylatorowi krzemowemu 32,768 kHz, rozwiązanie zasilane bateryjnie oparte na technologii hibernacji może zaoszczędzić ponad 50 procent energii. Specjaliści z PETERMANN-TECHNIK wyjaśniają, dlaczego oscylatory krzemowe 32,768 kHz zyskują coraz większą popularność w zasilanych bateryjnie aplikacjach technologii hibernacji i jakie korzyści oferują użytkownikowi.
Wiele produktów końcowych wykorzystuje technologię hibernacji, w tym urządzenia do noszenia, jednostki komunikacyjne Bluetooth Low Energy (BLE) do zastosowań komercyjnych, przemysłowych i motoryzacyjnych, aplikacje IoT, GPS (komercyjne i motoryzacyjne), komunikacja M2M, osobiste urządzenia śledzące i medyczne systemy monitorowania pacjentów, IoT, inteligentne pomiary, automatyka domowa, łączność bezprzewodowa itp.
Jak działa technologia hibernacji?
Technologia hibernacji jest wykorzystywana głównie w aplikacjach do pozycjonowania i w urządzeniach końcowych, które wymieniają zebrane dane z odbiornikiem za pośrednictwem Bluetooth Low Energy (BLE). W celu znacznego wydłużenia żywotności baterii, szczególnie energochłonne obszary obwodów w tych urządzeniach, takie jak układy scalone do transmisji danych i pozycjonowania, są przełączane w energooszczędny tryb uśpienia, gdy tylko jest to możliwe. Gdy tylko użytkownik wyszuka nowy cel lub chce przesłać dane za pośrednictwem Bluetooth Low Energy, wyłączone obszary muszą zostać wybudzone w bardzo krótkim czasie i przełączone w energochłonny tryb pracy (rys. 1).
Niezwykle krótkie wybudzanie oszczędza 50% energii systemu
Aby zapewnić szybką i energooszczędną komunikację danych, zegar systemowy 32 768 kHz musi być bardzo dokładny, aby aplikacja mogła bardzo szybko przejść przez proces pokazany na rys. 1 i natychmiast powrócić do trybu uśpienia.
Jeśli zegar systemowy jest niedokładny, energochłonna sekwencja procesu pokazana na rysunku 1 jest powtarzana, dopóki dane nie zostaną przesłane z jednostki nadajnika do urządzenia odbiorczego, na przykład z urządzenia do noszenia na smartfonie. Powtórzenia zwiększają zużycie energii, a tym samym znacznie skracają żywotność baterii. Ponadto bardzo dokładna częstotliwość referencyjna 32 768 kHz eliminuje również potrzebę ciągłej, energochłonnej synchronizacji zegarów systemowych między nadajnikiem a odbiornikiem. Bardzo długi autonomiczny czas pracy jest decydującym czynnikiem sukcesu rynkowego nadajnika. Urządzenie monitorujące pacjenta, które nie pozwala na długi okres użytkowania ze względu na wysokie zużycie energii, nie zostanie zaakceptowane. Użytkownicy będą zadawać sobie pytanie, dlaczego muszą ładować swoje urządzenie lub wymieniać baterię i nie polecą produktu lub opublikują negatywną recenzję w Internecie.
W aplikacjach GPS inny aspekt bardzo precyzyjnego zegara systemowego jest korzystny dla oszczędzania energii: wydłużenie okresów hibernacji przy zachowaniu szybkiego startu poniżej jednej sekundy.
Różnica między oscylatorem kwarcowym 32,768 kHz a oscylatorem kwarcowym 32,768 kHz o bardzo niskim poborze mocy
Ze względu na cięcie kwarcowe, stabilność temperaturowa kryształu kwarcowego 32,768 kHz - w przeciwieństwie do kryształu kwarcowego MHz - nie może być ograniczona przez zmianę kąta cięcia. W zakresie temperatur od -40 °C do +85 °C, najdokładniejsza stabilność temperaturowa kryształu 32,768 kHz wynosi około -180 ppm (rys. 2), podczas gdy kryształu MHz ±15 ppm.
Na przykład oscylator krzemowy 32,768 kHz z serii ULPPO firmy PETERMANN-TECHNIK, który mierzy zaledwie 1,5 x 0,8 mm, ma stabilność temperaturową ±5 ppm w zakresie temperatur od -40 °C do +85 °C, a zatem jest 36 razy dokładniejszy niż kryształ kwarcowy 32,768 kHz. Ponadto, starzenie się ULPPO wynosi ±1 ppm po pierwszym roku i ±5 ppm po 10 latach. Starzenie się kryształu 32,768 kHz wynosi ±3 ppm po pierwszym roku i znacznie ponad ±20 ppm po 10 latach. Stabilność częstotliwości kryształu 32,768 kHz w temperaturze 25 °C, standardowa wartość ±20 ppm, musi być również brana pod uwagę przy rozważaniu dokładności aplikacji. Kryształ 32,768 kHz generuje zatem tylko bardzo niedokładny zegar systemowy 32,768 kHz, który umożliwia jedynie bardzo wolną transmisję danych i zużywa dużo energii z powodu opisanych powtórzeń transmisji danych.
Na rynku dostępne są również oscylatory kwarcowe o częstotliwości 32,768 kHz. Są one większe (2,5 x 2,0 mm lub 3,2 x 2,5 mm) i wykorzystują inne technologie. Powszechne są oscylatory kwarcowe, w których częstotliwość 32 768 kHz jest generowana przez dzielenie częstotliwości MHz (2,5 x 2,0 mm). Takie oscylatory zużywają kilka miliamperów i dlatego są całkowicie nieodpowiednie dla rozwiązań zasilanych bateryjnie.
Inne oscylatory kwarcowe 32 768 kHz (3,2 x 2,5 mm) są oparte bezpośrednio na krysztale 32 768 kHz i zużywają mniej prądu, jeśli dokładność częstotliwości kryształu nie jest kompensowana przez układ scalony oscylatora. W rezultacie jednak częstotliwość jest tak samo niedokładna jak w przypadku kryształu 32,768 kHz, przez co oscylator ten oscyluje bardzo wolno.
Trzecie rozwiązanie opiera się na krysztale 32,768 kHz i układzie scalonym oscylatora, który kompensuje bardzo wysoką dokładność częstotliwości kryształu 32,768 kHz, ale rozpoczyna się bardzo wolno, zwykle po 3 sekundach, co powoduje wiele powtórzeń zużywających prąd.
Energooszczędne rozwiązanie firmy PETERMANN-TECHNIK
Większość energooszczędnych rozwiązań Bluetooth wykorzystuje dwa kryształy 32,768 kHz (jeden dla trybu uśpienia układu scalonego BLE i jeden dla zegara MCU) oraz jeden kryształ MHz jako częstotliwość odniesienia dla układu BLE (rys. 3). W typowej aplikacji do noszenia, oscylator krzemowy 32,768 kHz może jednocześnie taktować tryb uśpienia BLE i MCU. Oszczędza to ogromną ilość miejsca na płytce drukowanej, ponieważ ULPPO o wymiarach 1,5 x 0,8 mm jest tylko o połowę mniejszy od najmniejszego kryształu 32,768 kHz o wymiarach 1,6 x 1,2 mm i 85 procent mniejszy niż oscylator kwarcowy małej mocy o wymiarach 3,2 x 2,5 mm.
Jeśli weźmie się pod uwagę zapotrzebowanie na miejsce dla kryształu 32,768 kHz z jego dwiema zewnętrznymi pojemnościami odsprzęgającymi do masy, ULPPO wymaga tylko 85 procent miejsca dla rozwiązania opartego na krysztale. ULPPO nie wymaga żadnych kondensatorów odsprzęgających, ponieważ zintegrowany układ scalony sam filtruje napięcie zasilania.
Niezwykle niski pobór mocy
Nawet standardowa wersja oscylatorów krzemowych 32,768 kHz firmy PETERMANN-TECHNIK charakteryzuje się wyjątkowo niskim poborem mocy wynoszącym mniej niż 1 µA przy napięciu zasilania 1,8 VDC. W celu dalszego zmniejszenia poboru prądu, amplituda wyjściowa oscylatora może być dostosowana do układów scalonych, które mają być taktowane. VOH można ustawić w zakresie od 0,6 do 1,225 V, a VOL w zakresie od 0,35 do 0,8 V. PMIC lub MCU z napięciem zasilania 1,8 VDC wymaga amplitudy VIH 1,2 V lub amplitudy VIL 0,6 V. Pozwala to na optymalne dostosowanie oscylatorów krzemowych 32 768 kHz do MCU i BLE w sposób oszczędzający energię: Kolejna ważna zaleta technologii oscylatorów krzemowych nowej generacji, której nie oferuje oscylator kwarcowy 32 768 kHz.
Wysoka niezawodność odpowiedzi przejściowej
Ponieważ kryształy 32,768 kHz mają bardzo wysoką rezystancję, nie zawsze idealnie harmonizują ze stopniami oscylatora układów scalonych, które mają być taktowane. Czasami kryształ oscyluje, czasami nie. Jeśli tak się dzieje, nie zawsze jest jasne dlaczego. Ujemne rezystancje wejściowe stopni oscylatora układów scalonych, które mają być taktowane, często ulegają ogromnemu rozproszeniu, a nawet pojemności. Zgodnie z pomiarami przeprowadzonymi przez specjalistów PETERMANN-TECHNIK, nierzadko występuje rozproszenie pojemnościowe przekraczające 25%. Nie ułatwia to optymalnego okablowania kryształu kwarcu o częstotliwości 32,768 kHz, a częstotliwość jest również zniekształcona w obwodzie (przesunięcie częstotliwości spowodowane czułością strojenia w ppm/pF kryształu kwarcu). Dzięki zastosowaniu krzemowego oscylatora 32,768 kHz o bardzo niskim poborze mocy, nie tylko możliwe jest jednoczesne taktowanie kilku układów scalonych, ale także nie występują już problemy ze stanami przejściowymi i przesunięciami częstotliwości. Najwyższa stabilność przejściowa w każdych warunkach, w każdej temperaturze i w każdym czasie.
Ogromna oszczędność kosztów
Oscylator krzemowy 32,768 kHz firmy PETERMANN-TECHNIK pozwala zaoszczędzić dwa kryształy 32,768 kHz i pojemność obwodu, co znacznie zmniejsza ilość miejsca wymaganego na płytce drukowanej. Znacznie mniejsza i korzystniejsza płytka drukowana jest zatem wystarczająca dla danego zastosowania. Co więcej, koszty rozwoju, montażu, kontroli i testowania są również znacznie zmniejszone. Biorąc pod uwagę niższe koszty zakupu i obsługi komponentów, a także korzystniejsze ceny komponentów, producent urządzenia oszczędza nie tylko energię elektryczną, ale także pieniądze.
Ekologiczna technologia dla inteligentniejszego świata
Projekt oszczędzania energii zaczyna się od taktowania. Oscylatory krzemowe o bardzo niskim poborze mocy 32 768 kHz firmy PETERMANN-TECHNIK są przykładem tego, jak odpowiednie generatory zegara mogą zwiększyć o 50 procent energię systemową urządzeń mobilnych opartych na technologii hibernacji. Eksperci z firmy PETERMANN-Technik, specjalizującej się w taktowaniu, doradzają przy wyborze odpowiednich komponentów z gamy produktów "Next Generation Clocking", oferując kompleksowe wsparcie techniczne, projektowanie, szybkie próbki i dostawy seryjne, umożliwiając szybkie wprowadzenie produktu na rynek.
Więcej informacji można znaleźć na stronie:
SMD SPXO 32.768 kHz OSCILLATORS
lub
Pytania techniczne:
Telefon: 0 81 91 / 30 53 95
E-mail: info(at)petermann-technik.de
