作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

微控制器 (MCU) 及其相關軟件正在持續提升汽車性能，使其更加智能、安全和高效。為很好地發揮作用，MCU 需要準確的定時源，以滿足實時執行、通信協議和通用計時的需求。盡管工作環境惡劣，但這些時間測量必須準確、可靠和具有高性價比。在此類應用中，晶體振蕩器對于確保精確定時和穩定運行至關重要。

在最嚴苛的汽車環境中，要保持精確的計時功能，容不得半點差池，因此需要采用能夠勝任這一關鍵角色的晶體振蕩器。然而，真正精通晶體選型細節的工程師寥寥無幾，這極易在產品整個壽命周期內增大計時誤差風險。為此，可以采用適當的工具來優化和精簡選型流程，以降低誤差風險。

本文首先簡要討論汽車電子系統設計人員面臨的計時問題。然后介紹 AEC-Q200 認證汽車零部件供應商 ECS inc. 提供的選型工具，并展示該工具如何有助于汽車 MCU 計時晶體的選型和實施。本文以 STMicroelectronics 的 SPC5x 和 STM8x 系列 MCU 為例進行介紹。

晶體振蕩器

MCU 使用時基提供內部時鐘，用于同步操作、生成內部計時、觸發中斷以及實現如實時操作系統等功能。時鐘時基是一種精確的晶體振蕩器，用于確保計時精度和穩定性不受溫度和時間的影響。

STMicroelectronics 的 SPC5x 和 STM8x 系列等汽車 MCU 內置了振蕩器，這種振蕩器包含一個反相放大器和一個反饋電阻。其中，反饋電阻連接在反相器輸入與輸出端之間，能確保其始終工作于線性放大狀態。如壓電晶體及其相關電路等諧振元件與內部反相器相連，以形成完整的振蕩器（圖 1，左）。

圖 1：當外部晶體諧振器及其關聯電路連接到 MCU 的內部反相器和反饋電阻器（左）時，即構成時鐘振蕩器；晶體同時具有串聯和并聯諧振點（右）。（圖片來源：ECS Inc.）

晶體的電阻器、電感器和電容器 (RLC) 等效電路模型由一個電感器 (L 1 )、一個電容器 (C 1 ) 和一個電阻器 (R 1 ) 串聯組成。與串聯元件并聯的是并聯電容器 (C 0 )，作為反相器、晶體封裝和關聯線路的輸入和輸出電容。串聯支路決定晶體的串聯諧振頻率 (F s )。并聯電容器與串聯支路共振，產生晶體的并聯諧振頻率，或稱反諧振頻率 (F a )。電抗圖顯示了兩種諧振（圖 1，右）；串聯諧振頻率總低于并聯諧振頻率。

設置振蕩器的頻率時，通常使其位于串聯諧振和并聯諧振點之間，并利用電容負載來調節振蕩器頻率。晶體的標稱頻率與精確的負載電容相關聯。負載電容大于晶體的標稱負載時會降低振蕩器頻率；反之，則會提高振蕩器頻率。

圖 1 所示的振蕩器為 Pierce 配置振蕩器。該振蕩器由兩個支路組成：有源支路是 MCU 的內部反相器，無源支路由晶體及其關聯元件組成。晶體與電容器 C1 和 CC 構成振蕩器反饋回路中的選頻 pi 網絡。pi 濾波器能在所需的振蕩器頻率處進行 180° 相移。

振蕩器的起振條件

振蕩器是一個反饋電路，用于啟動和維持穩定的振蕩。從理論上講，振蕩器起振的反饋條件是環路具有統一的增益和零度相移。反饋回路中的晶體是一種無源元件，會產生相關損耗。有源支路提供的負電阻必須大于晶體的等效串聯電阻 (ESR)，振蕩器才能工作。晶體損耗是晶體 ESR、振蕩器頻率以及電路并聯電容和負載電容的函數。晶體的 ESR 可在其數據表中找到。振蕩器的負電阻應至少是 ESR 的五倍。

振蕩器起振的另一種方法是考慮其跨導（g m ），單位為毫安/伏 (mA/V)。這種情況下，反相器的增益必須超過反饋回路的損耗。振蕩器環路增益的理論最小值為 1，但這并非實際設計時的限制值。實際上，放大器的增益裕度應為最嚴重情況下臨界增益 (g mcrit ) 的五倍。gmcrit 是振蕩器維持穩定振蕩所需的最小跨導。臨界增益是 ESR、頻率和電容的函數，表達式為：gmcrit = 4 × ESR × (2pF)^2^ × (C0 + C L ) ^2^ 。

振蕩器的跨導可在 MCU 的數據手冊中找到。

作為最嚴重情況下的臨界增益函數，Gmcrit-Max 使用相同的公式，但輸入的是數據表中每個晶體參數的最大值。如果振蕩器的增益大于 Gmcrit-Max 的五倍，則可確保在任何條件下都能正常工作。

起振性能的評估依據是：振蕩器在電路可能遭遇到的所有環境條件下的持續起振運行能力，以及其延遲時間，即起振所需的時間（圖 2）。

圖 2：隨著 VDD 增加，振蕩器在達到單位增益時起振。從 VDD 大于零伏開始測量起振時間，直到振蕩器在晶體頻率下穩定工作。（圖片來源：ECS Inc.）

晶體的驅動功率水平

流經晶體的過電流會導致晶體產生耗散功率。驅動功率水平是通過晶體的電流有效值的平方與 ESR 的乘積。晶體有最大標稱驅動功率水平，通常以毫瓦 (mW) 或微瓦 (μW) 為單位。超過最大驅動功率水平會導致運行不穩定、模態跳變、產品壽命縮短甚至晶體失效。此外，如果驅動功率水平過低，振蕩器可能無法起振。

可通過在晶體上串聯一個電阻來控制驅動功率水平。圖 1 中的電阻 RS 就是一個很好的例子；該電阻會控制流經晶體的電流，并使驅動功率水平保持在規定范圍內。

晶體的工作模式

晶體元件的尺寸決定了其基頻。隨著晶體元件厚度的減小，其頻率也會增大。某些情況下，晶體會因為太薄和太脆而無法可靠運行。這個極限頻率約為 50 兆赫 (MHz)。

在較高頻下工作的晶體振蕩器，采用專門用于凸顯晶體基頻奇次諧波的晶體。這些諧波模式頻率被稱為泛音。泛音晶體以諧波數來命名，如第三、第五或第七泛音模式。這類晶體具有與基頻晶體不同的結構特性。在泛音振蕩器設計中可引入 LC 振蕩回路等電路元件，以抑制基頻振蕩，確保電路在所需的泛音頻率下穩定工作。

頻率公差和穩定性

頻率公差是指振蕩器與設計頻率之間的測量偏差。公差通常以百萬分之幾 (ppm) 為單位，且通常在 +25°C 的溫度下測量。

頻率穩定性用來衡量振蕩器頻率隨時間或在給定溫度范圍內的變化程度。頻率穩定性的單位也是 ppm。影響晶體穩定性的因素有很多，包括溫度、工作電壓和老化（即晶體頻率隨時間緩慢變化）。老化程度以 ppm 每年為單位。過度驅動晶體也會降低其穩定性。

需要說明的是，1 ppm 意味著 1 MHz 晶體的頻率可能變化 1 赫茲 (Hz)，相當于 0.0001%。例如，公差為 30 ppm 的 8 MHz 晶體的頻率與其標稱頻率相比可能會有 240 Hz 的變化。

通過 AEC-Q200 認證

與其他用于電動汽車的無源器件一樣，晶體也必須符合該環境的嚴苛要求，包括 AEC-Q200 抗應力全球標準。如果零件通過了嚴苛的應力測試，則可認為這些零件獲得了“AEC-Q200”認證，具體測試包括溫度、熱沖擊、耐濕性、尺寸公差、耐溶劑性、機械沖擊、振動、靜電放電、可焊性和電路板彎曲等測試。

晶體的選型工具

使用 ECS Inc. 的汽車級[晶體選型工具]，可實現汽車級晶體與 STMicroelectronics 的 SPC5 和 STM8 車規級 MCU 的精準匹配。

打開選型工具，設計人員會看到 SPC5 和 STM8 MCU 以及 ECS 車規級晶體清單，以及晶體振蕩器的參數顯示窗口（圖 3）。

圖 3：汽車級晶體選型工具的主頁顯示 MCU 和晶體清單。（圖片來源：ECS Inc.）

STMicro MCU 列于藍色部分。晶體在白色部分列出。選型過程從 MCU 選擇開始，例如 MCU 清單頂部的 [SPC56AP] （圖 4）。

圖 4：選擇 SPC56AP MCU 后，將顯示兼容晶體及其相關設計參數。(圖片來源：ECS Inc.）

選擇 SPC56AP MCU 時，選型工具會更新晶體清單，只顯示與該 MCU 兼容的晶體及其相關設計參數。此時，設計人員就可選擇所需的參數。例如，假設需要 8 MHz 的時鐘頻率和 23.42 的最高增益裕度。做出這些選擇后，晶體選型就只剩下一個零件了，即 [ECS-80-8-30Q-VY-TR] 晶體（圖 5）。

圖 5：選擇所需的晶體參數，精確定位 ECS-80-8-30Q-VY-TR 晶體。(圖片來源：ECS Inc.）

這款 8 MHz 晶體設計用于在 8 皮法 (pF) 容性負載下工作，容差為 30 ppm。與 SPC56AP 配合使用時，其 gmcrit 為 0.17 mA/V，gm 為 4 mA/V，實際增益裕度為 23.42。根據 Gmcrit-Max 計算，最嚴重情況下的增益裕度為 5。

另一個示例是使用 [STM8AF] 處理器，其時鐘頻率為 24 MHz。選擇該輸入時會得到 [ECS-240-8-33B2Q-CVY-TR3] （圖 6），這是一款 24 MHz 晶體，可在 8 pF 容性負載和 10 ppm 頻率容差下工作。

圖 6：為工作頻率為 24 MHz 的 STM8AF 處理器選擇晶振的結果是 ECS-240-8-33B2Q-CVY-TR3。（圖片來源：ECS Inc.）

選型指南中的所有晶體均符合 AEC-200 標準，工作溫度范圍為 -40 至 150°C。

結語

汽車 MCU 的工作環境極具挑戰性，必須選擇合適的時鐘晶體提供計時支撐。選擇時鐘晶體需要了解多個關鍵參數，包括頻率、溫度范圍、容差、穩定性、ESR 和跨導，以確保精確的定時和穩定性。ECS Inc. 提供了一種工具，有助于設計人員從與 STM8x 和 SPC5x 系列 MCU 匹配的各種 AEC-Q200 認證晶體中進行選擇。