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MEMS硅振甩开石英再续时钟创新

Frankin Zhao?? 2016年03月17日 ?? 收藏1

Super-TCXO结合体积小/精度高/功耗低三大优势,并可集成到SiP中

2013年,SiTime发布了1Hz-32kHz XO,精度为100ppm(传统石英只能到200ppm),功耗为1μA;2014年发布的32kHz TCXO,将精度再进一步做到了10ppm(-40℃~85℃),功耗同样为1μA;2015年发布了MHz级——1-26MHz的产品,功耗为60-200μA(相比石英只有1/5~1/10功耗),适用于IoT应用。这三个产品在过去三年,出货量已经突破了6000万颗。

今年,SiTime又推出了新的SiT156x/7X——面向IoT和可穿戴应用的Super-TCXO系列。这个新系列的产品结合了体积更小、准确度更高、功耗更低三大优势,精度从10ppm发展到5ppm,功耗也发展到2-5μA。

小型化当下,MEMS硅振能否甩开石英再续时钟创新?
图9:SiTime MEMS时钟出货量总计已超过6000万颗。

可穿戴设备的一个典型架构图如图10所示。它包含MCU、联网、Sensor Hub、USB充电以及显示等部分,每个部分都需要用到时钟器件。图中,深红色是kHz时钟,浅红色是MHz时钟,而SiTime几乎都有产品对应。因此,SiTime认为IoT/可穿戴是其成长的很大一个动力来源。

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图10:可穿戴设备的典型架构图。

SiT1566、SiT1568和SiT1576这三个Super-TCXO系列的新产品,设计用于可穿戴/IoT以及移动应用。除了刚才所讲的体积最小、准确度最高、功耗最低(电池续航能力最长)这三个优势外,它还具有一个独特的优势,即精度可以在系统内部自动校准。

“SiT1568相比SiT1566具有成膜后自动校准功能,即在经过某些流程,频率发生偏移后,它可以自动校准回±5ppm的范围。另外,除了32kHz的单一频率器件,SiTime还提供SiT1576器件来提供1Hz到1MHz的任意频率实现,从而满足可穿戴对低频时钟越来越多的需求。” Sevalia先生介绍说。

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图11:SiT1566、SiT1568和SiT1576三款Super-TCXO产品的特性。

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图12:Super-TCXO的目标应用。

体积更小:在kHz方面,传统石英器件能够提供的最小尺寸是1.6mm×1.0mm,所占PCB板面积为4mm2(因为周边还有其他器件),而如果采用1508封装的SiTime SiT15xx,PCB占板面积仅为1.5 mm×0.8mm(外围元件完全集成到了其中),体积缩小65%。在MHz方面,最小的石英器件为1.6mm×1.2mm,而利用SiTime SiT8021则可以做到1.5mm×0.8mm,体积缩小40%。

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图13:MEMS时钟在体积上远小于石英。

另外,从电路上看,可穿戴设备可能包含蓝牙、MCU、音频等等器件(图14)。这些IC都需要用到32kHz的时钟。如果用石英器件的话,每一颗IC旁边都需要放一颗时钟器件;而如果采用MEMS时钟的话,一颗时钟器件就可以为多颗IC提供时钟频率,从而可以更进一步节省PCB板面积并降低BOM成本。

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图14:采用MEMS硅振设计可穿戴设备,可以用一颗IC代替掉多颗石英。

准确度更高:从-40℃~85℃,频率器件输出的精度会随着温度的改变而改变。图15中红色部分是传统石英器件,它在高低温两端的频率误差会越来越大。蓝色部分是SiT1532晶振在不做温补的时候的特性,即不做温度补偿,它的精度都比石英晶体好;而做了温度补偿的Super-TCXO,精度被控制到了±5ppm以内,几乎和工作温度无关。

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图15:可穿戴设备内部温度变化对时钟器件频率特性的影响。可穿戴设备在打开蓝牙的时候,器件内部的温度会升高,使用环境的温度也会升高。如果温度变化为每秒2℃,SiTime的Super-TCXO几乎不受温度梯度的影响。

“如果把32kHz的器件做计时用(手机和传统手表都需要频率器件做计时),和瑞士的计时标准对比的话,机械表每天可容忍的误差是-4/+6s,石英表可容忍的误差是±1ppm,约合±0.07s(在23℃时),而硅MEMS时钟可以做到±0.3ppm,精度比传统石英好出70%。两天内,机械表精度的最大容忍度是5s,石英表的最大容忍度是±3ppm(±0.2s,38℃时),而MEMS时钟可以做到±1ppm(计时能力优于石英66%)。”Sevalia先生表示。

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图16:用MEMS器件做计时,精度远高于瑞士COSC标准对机械表和石英表的规定值。

电池续航能力更长:可穿戴设备一般需要跟手机连接,传送所收集到的数据。然而它们不是始终相连,否则会消耗大量电能。因此,它们之间的连接会是不断的接通和断开。显然,其传送次数越少,对接时间越短,则越省电。因此,如果时钟器件的精度越高,则可以在最需要打开连接的时刻开启它,这样就能将不需要打开连接的时间控制在最小。举例来说,手环跟手机约好下一次互联在20分钟以后,但是如果手环不能准确计时这20分钟,它在计时20分钟后,手机的对接时间可能就过了,所以手环如果知道自己的频率误差高,它就需要提前进入等待状态,这样就会消耗更多功耗。而如果时钟误差低,则可以把这个等待时间缩短到最小,节省功耗。

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图17:Super-TCXO的精准计时相比石英器件可以让蓝牙的功耗做到更低。

传统石英器件的功耗是440μA/h,而Super-TCXO相比石英器件可以将功耗降低30%。

系统内部自动校正:为了实现小型化,原来很多的PCB模块(比如蓝牙模块、WiFi模块)都是通过SiP的方式来实现的。而SiP会在其中注塑一些塑料材质进去。过去做SiP封装,都会将石英器件放在它的外面,因为如果把频率器件放在里面,填充物的压力会影响它的精度。而自动校正功能旨在解决这个问题。

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图18:自动校正功能解决将频率器件集成到SiP封装后的精度偏移问题。

“比如,石英等频率器件在组装到SiP中之前可以做到5ppm,但是放进去后,因为有填充物的挤压,所以精度可能会上升到15ppm。SiTime的产品可以让系统厂商把它自动校正回原来的精度上。如果厂商要把产品做到更小,就要把频率器件放到SiP封装中,而SiTime则可以帮助实现这个目标,而又不影响精度。”Sevalia先生最后表示。

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图19:Super-TCXO器件性能总结。

“SiTime正在彻底改变时钟行业,用先进的MEMS技术取代石英。MEMS技术对行业极具吸引力,相比石英晶体,它具有很多优点。在不到7年时间,SiTimes的MEMS时钟性能就超越了石英性能,而且现更在设定新标准,为使用时钟器件的公司提供新的可能性。世界正在变得更小更快,而SiTimes的轻薄短小振荡器非常有利于这一进程。从石英到微机电,从以生产为主到以知识产权(IP)和技术为中心,从简单的器件到多功能功能复杂的芯片,都在推动新产品的开发。该公司在从下至上重建这个行业,采用MEMS技术,行业将会是另一番景象。SiTimes的机会是将6亿美元的产业转向硅。”

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