Energeticky úsporná a velmi rychlá datová komunikace nebo polohování po režimu spánku je možné pouze s vysoce přesnými a rychlými systémovými hodinami s frekvencí 32 768 kHz. Díky křemíkovému oscilátoru s frekvencí 32 768 kHz může řešení napájené z baterií a založené na technologii hibernace ušetřit více než 50 % energie. Specialisté společnosti PETERMANN-TECHNIK vysvětlují, proč se křemíkové oscilátory s frekvencí 32,768 kHz prosazují v aplikacích napájených z baterií technologií hibernace a jaké výhody uživateli nabízejí.
Technologii hibernace využívá mnoho koncových produktů, včetně nositelných zařízení, komunikačních jednotek Bluetooth Low Energy (BLE) pro komerční, průmyslové a automobilové aplikace, aplikací internetu věcí, GPS (komerční a automobilové), komunikace M2M, osobních sledovacích zařízení a lékařských systémů pro monitorování pacientů, internetu věcí, inteligentního měření, domácí automatizace, bezdrátového připojení atd....
Jak funguje technologie hibernace
Technologie Hibernation se používá především v aplikacích pro určování polohy a v koncových zařízeních, která si vyměňují shromážděná data s přijímačem prostřednictvím technologie Bluetooth Low Energy (BLE). Aby se výrazně prodloužila výdrž baterie, přepínají se v těchto zařízeních zejména energeticky náročné oblasti obvodů, jako jsou integrované obvody pro přenos dat a určování polohy, do energeticky úsporného režimu spánku, kdykoli je to možné. Jakmile uživatel vyhledá nový cíl nebo chce přenášet data prostřednictvím Bluetooth Low Energy, musí se vypnuté oblasti ve velmi krátké době probudit a přepnout do energeticky náročného pracovního režimu (obr. 1).
Extrémně krátké probuzení šetří 50 % energie systému
Pro rychlou a energeticky úspornou datovou komunikaci musí být systémové hodiny s frekvencí 32 768 kHz velmi přesné, aby aplikace mohla velmi rychle proběhnout procesem znázorněným na obr. 1 a okamžitě se opět přepnout do režimu spánku.
Pokud jsou systémové hodiny nepřesné, opakuje se energeticky náročná sekvence procesů znázorněná na obr. 1, dokud nejsou data přenesena z vysílací jednotky do přijímacího zařízení, například z nositelného zařízení do chytrého telefonu. Opakování zvyšuje spotřebu energie, a tím výrazně zkracuje životnost baterie. Vysoce přesná referenční frekvence 32 768 kHz navíc eliminuje potřebu neustálé energeticky náročné synchronizace systémových hodin mezi vysílačem a přijímačem. Velmi dlouhá doba autonomního provozu je rozhodujícím faktorem úspěchu vysílací jednotky na trhu. Zařízení pro monitorování pacientů, které neumožňuje dlouhou dobu provozu kvůli vysoké spotřebě energie, bude jen stěží přijato. Uživatelé si budou klást otázku, proč musí přístroj dobíjet nebo vyměňovat baterii, a nebudou výrobek doporučovat nebo zveřejní negativní recenzi na internetu.
V aplikacích GPS je pro úsporu energie výhodný další aspekt velmi přesných systémových hodin: prodloužení doby hibernace při zachování rychlého startu kratšího než jedna sekunda.
Rozdíl mezi krystalem a krystalovým oscilátorem s frekvencí 32,768 kHz a oscilátorem s velmi nízkou spotřebou 32,768 kHz.
Díky křemennému řezu nelze teplotní stabilitu křemenného krystalu s frekvencí 32,768 kHz - na rozdíl od křemenného krystalu s frekvencí MHz - omezit změnou úhlu řezu. V teplotním rozsahu od -40 °C do +85 °C je nejpřesnější teplotní stabilita krystalu 32,768 kHz přibližně -180 ppm (obr. 2), zatímco u krystalu MHz je to ±15 ppm.
Například křemíkový oscilátor s frekvencí 32 768 kHz řady ULPPO od společnosti PETERMANN-TECHNIK, který má rozměry pouhých 1,5 x 0,8 mm, má teplotní stabilitu ±5 ppm v rozsahu teplot od -40 °C do +85 °C, a je tedy 36krát přesnější než křemenný krystal s frekvencí 32 768 kHz. Navíc stárnutí ULPPO je ±1 ppm po prvním roce a ±5 ppm po 10 letech. Stárnutí krystalu s frekvencí 32,768 kHz je ±3 ppm po prvním roce a více než ±20 ppm po 10 letech. Při posuzování přesnosti aplikace je třeba vzít v úvahu také frekvenční stabilitu krystalu 32,768 kHz při 25 °C, standardní hodnotu ±20 ppm. Krystal s frekvencí 32,768 kHz tedy generuje pouze velmi nepřesné systémové hodiny s frekvencí 32,768 kHz, které umožňují pouze velmi pomalou datovou komunikaci a spotřebovávají mnoho energie kvůli popsaným opakováním datové komunikace.
Na trhu jsou k dispozici také křemenné oscilátory s frekvencí 32 768 kHz. Ty jsou větší (2,5 x 2,0 mm nebo 3,2 x 2,5 mm) a používají jiné technologie. Běžně se používají křemenné oscilátory, u nichž je frekvence 32 768 kHz generována dělením frekvence MHz (2,5 x 2,0 mm). Takové oscilátory spotřebovávají několik miliampérů, a proto jsou zcela nevhodné pro řešení napájená z baterií.
Jiné krystalové oscilátory s frekvencí 32,768 kHz (3,2 x 2,5 mm) jsou založeny přímo na krystalu s frekvencí 32,768 kHz a spotřebovávají méně proudu, pokud není přesnost frekvence krystalu kompenzována integrovaným obvodem oscilátoru. V důsledku toho je však frekvence stejně nepřesná jako u krystalu 32,768 kHz, čímž tento oscilátor kmitá velmi pomalu.
Třetí řešení je založeno na krystalu s frekvencí 32,768 kHz a oscilačním integrovaném obvodu, který kompenzuje velmi vysokou frekvenční přesnost krystalu s frekvencí 32,768 kHz, ale začíná velmi pomalu, typicky 3 sekundy, a proto způsobuje mnoho opakování náročných na proud.
Úsporné řešení od společnosti PETERMANN-TECHNIK
Většina řešení Bluetooth s nízkou spotřebou energie používá dva krystaly 32,768 kHz (jeden pro režim spánku integrovaného obvodu BLE a druhý pro hodiny MCU) a jeden krystal MHz jako referenční frekvenci pro čip BLE (obr. 3). V typické nositelné aplikaci může křemíkový oscilátor s frekvencí 32 768 kHz současně taktovat režim spánku BLE a MCU. Tím se ušetří obrovské množství místa na desce plošných spojů, protože ULPPO o rozměrech 1,5 x 0,8 mm je jen asi o polovinu menší než nejmenší krystal 32 768 kHz o rozměrech 1,6 x 1,2 mm a o 85 % menší než nízkovýkonný krystalový oscilátor o rozměrech 3,2 x 2,5 mm.
Vezmeme-li v úvahu prostorové nároky krystalu 32 768 kHz se dvěma externími oddělovacími kapacitami vůči zemi, vyžaduje ULPPO pouze 85 % prostoru řešení založeného na krystalu. ULPPO nevyžaduje žádné oddělovací kondenzátory, protože integrovaný integrovaný obvod sám filtruje napájecí napětí.
Extrémně nízká spotřeba energie
Dokonce i standardní verze křemíkových oscilátorů PETERMANN-TECHNIK s frekvencí 32 768 kHz má extrémně nízkou spotřebu energie - méně než 1 µA při napětí VDD 1,8 VDC. Pro další snížení spotřeby proudu lze výstupní amplitudu oscilátoru přizpůsobit taktovaným integrovaným obvodům. VOH lze nastavit v rozsahu 0,6 až 1,225 V a VOL v rozsahu 0,35 až 0,8 V. PMIC nebo MCU s napájecím napětím 1,8 V DC vyžaduje amplitudu VIH 1,2 V nebo amplitudu VIL 0,6 V. To umožňuje optimální přizpůsobení křemíkových oscilátorů s frekvencí 32 768 kHz jednotce MCU a BLE s úsporou energie: Další významnou výhodou technologie křemíkových oscilátorů nové generace, kterou křemenný oscilátor s frekvencí 32 768 kHz nenabízí.
Vysoká spolehlivost přechodové odezvy
Protože krystaly s frekvencí 32,768 kHz mají velmi vysoké odpory, ne vždy dokonale ladí s oscilačními stupni integrovaných obvodů, které mají být taktovány. Někdy krystal osciluje, jindy ne. Pokud ano, není vždy jasné proč. Záporné vstupní odpory oscilačních stupňů taktovaných integrovaných obvodů se často velmi rozptylují, nebo dokonce kapacitně. Podle měření specialistů společnosti PETERMANN-TECHNIK není neobvyklý více než 25% kapacitní rozptyl. To optimální zapojení křemenného krystalu s frekvencí 32,768 kHz nijak neusnadňuje a frekvence je v obvodu také zkreslená (frekvenční posun způsobený citlivostí ladění křemenného krystalu v ppm/pF). Při použití křemíkového oscilátoru s velmi nízkou spotřebou 32,768 kHz lze nejen taktovat několik integrovaných obvodů současně, ale odpadají také problémy s přechodovými jevy a frekvenčními posuny. Nejvyšší přechodová stabilita za všech okolností, při jakékoliv teplotě a v jakémkoliv čase.
Obrovská úspora nákladů
Křemíkový oscilátor s frekvencí 32 768 kHz od společnosti PETERMANN-TECHNIK šetří dva krystaly s frekvencí 32 768 kHz a kapacitu obvodu, což enormně snižuje potřebu místa na desce plošných spojů. Pro aplikaci tak stačí výrazně menší a výhodnější deska s plošnými spoji. Kromě toho se také výrazně snižují náklady na vývoj, montáž, kontrolu a testování. Vezmeme-li v úvahu nižší náklady na pořízení součástek a manipulaci s nimi, jakož i příznivější ceny součástek, ušetří výrobce zařízení nejen elektrickou energii, ale i peníze.
Ekologičtější technologie pro chytřejší svět
Konstrukce šetřící energii začíná u taktování. Křemíkové oscilátory s velmi nízkou spotřebou 32 768 kHz od společnosti PETERMANN-TECHNIK jsou příkladem toho, že správné generátory hodin mohou rozšířit systémovou energii mobilních zařízení založených na technologii hibernace o 50 %. Odborníci společnosti PETERMANN-TECHNIK, která se specializuje na taktování, poskytují poradenství při výběru vhodných komponent z produktové řady "Next Generation Clocking" s komplexní technickou podporou, design-in, rychlým vzorkováním a sériovými dodávkami, což umožňuje dosáhnout rychlého uvedení na trh.
Další informace jsou k dispozici na adrese:
OSCILLÁTORY SMD SPXO 32,768 kHz
nebo
Technické dotazy:
Telefon: 0 81 91 / 30 53 95
E-mail: info(at)petermann-technik.de
