作者：Jehangir Parvereshi，sr。客戶工程經理和 SiTime 營銷總監 Harpreet Chohan

互聯網連接設備或物聯網 (IoT) 的爆炸性增長是由網絡上的人員、設備和數據的融合推動的。隨著產品從筆記本電腦到口袋再到身體，未來的增長將受到可穿戴技術的強烈影響。活動追蹤器在每年出貨量方面處于領先地位，其次是智能手表和醫療監視器/設備，以及可穿戴相機和智能眼鏡。這些設備得益于 MEMS 和傳感器技術、無線連接和新的節能功能的進步。

可穿戴設備利用新的計時技術

所有電子產品都需要一個或多個計時設備，具體取決于系統中的處理器、分區和各種功能。傳統上，32.768-kHz 晶體和低功率 MHz 石英振蕩器已被用于在電池供電的電子系統中實現時鐘功能。與普遍存在的 32 kHz 晶體時鐘相比，一種新型超低功耗、低頻 MEMS 振蕩器現在具有優勢。MEMS 計時技術的創新正在對物聯網和可穿戴設備產生重大影響，尤其是在尺寸和節能方面。

面向物聯網和可穿戴設備的 MEMS 計時解決方案的主要優勢包括：

占地面積更小——比石英小 80%

o 采用 1.5 × 0.8-mm 芯片級封裝 (CSP) 的最小 32-kHz 振蕩器

o 振蕩器輸出驅動多個負載，減少元件數量和電路板面積

更好的穩定性，高達 3 ppm — 轉化為更高的節省

o MEMS XO（振蕩器）的精度比石英高 2 到 3 倍

o MEMS TCXO（溫度補償振蕩器）精度提高 30 倍至 40 倍

o 與石英 XTAL + SoC 振蕩器相比，更好的穩定性意味著對網絡計時更新的依賴更少，睡眠模式周期更長，功耗降低 30% 至 50%

用于傳感器接口的可編程頻率范圍為 1 Hz 至 2.5 MHz——支持新的架構選項

更具彈性——抗沖擊和振動能力提高 50 倍

全硅 MEMS 時序解決方案

與基于石英的設備不同，硅 MEMS 振蕩器采用現代封裝技術。MEMS 振蕩器由安裝在高性能可編程模擬振蕩器 IC 頂部的 MEMS 諧振器芯片組成，該芯片被模制成標準低成本塑料 SMD 封裝，其封裝與石英器件兼容。為了支持超小型應用的空間要求，SiTime MEMS 振蕩器可用于超小型 CSP。MEMS 振蕩器基于可編程架構，允許自定義特性，包括頻率、電源電壓、輸出擺幅和其他特性。

通過集成實現小型化、更小的封裝尺寸和電路板布局靈活性

SiTime 振蕩器提供更高的集成度、新的封裝選項和其他可減小尺寸的功能。SiT15xx 32kHz MEMS 計時解決方案旨在替代空間和功率至關重要的移動、物聯網和可穿戴應用中的傳統石英晶體。這些器件還采用 2.0 x 1.2-mm (2012) SMD 封裝，適用于需要晶體 (XTAL) 諧振器兼容性的設計。SiT15xx 2012 振蕩器在兩個大 XTAL 焊盤之間的中心區域具有電源 (Vdd) 和接地 (GND) 引腳，如圖 1b 所示。

對于更小的尺寸，SiT15xx 器件采用 CSP 封裝（圖 1a），與現有的 2012 SMD 晶體封裝相比，其占位面積減少高達 80%，比 1610 (1.6 × 1.0-mm) XTAL 小 60%包裹。由于 SiTime 的制造工藝，另一種選擇是將 MEMS 諧振器芯片與 SoC、ASIC 或微處理器芯片集成在一個封裝內的能力。此選項消除了外部時序組件，并提供了最高水平的集成和尺寸縮減。由于晶體諧振器的限制，石英供應商無法提供 CSP 或集成解決方案。

圖 1：與石英 XTAL 相比，32kHz MEMS XO 和 TCXO 的封裝尺寸和引腳位置。

與石英晶體不同，SiT15xx 輸出直接驅動到芯片組的 XTAL-IN 引腳，無需輸出負載電容器，如圖2 所示。因為振蕩器可以通過走線驅動時鐘信號，所以它不需要放置在芯片組附近。此功能與超薄型（0.55 毫米高）相結合，可實現電路板布局的靈活性和額外的空間優化。除了消除外部負載電容器外，SiT15xx 器件還具有特殊的電源濾波功能，無需外部 Vdd 旁路去耦電容器，進一步簡化了電路板設計和小型化。內部電源濾波旨在抑制高達 ±50 mVpp 至 5 MHz 的噪聲。

圖 2：與石英 XTAL 和所需電容器相比，32kHz MEMS XO 和 TCXO 的總占位面積。

通過低電流消耗延長電池壽命

低頻、低功耗 32-kHz 計時設備廣泛用于移動設備中，在這些設備中，設備持續開啟以計時或控制睡眠模式。這些低頻振蕩器還用于對事件進行計時，例如電池供電設備中使用的電源管理 IC (PMIC) 中的監視和控制功能，或執行短時間系統喚醒以實現定時參考同步。

圖 3：SiT153x 消耗小于 1μA 的電源過剩和溫度。

測得的頻率穩定性

與圖 4所示的石英晶體相比，32kHz MEMS 計時器件的溫度系數在整個溫度范圍內都非常平坦。SiT15xx 振蕩器經過校準（修整）以確保頻率穩定性在室溫下低于 10 ppm，在整個 –40°C 至 85°C 溫度范圍內低于 100 ppm。相比之下，石英晶體具有經典的音叉拋物線溫度曲線，其轉換點為 25°C，如圖 4 中的紅線所示。

圖 4：SiT1532 32-kHz MEMS XO 頻率穩定性與石英 XTAL 相比，溫度范圍為 –160 至 –200 ppm。

圖 5 繪制了 32kHz MEMS TCXO 的頻率穩定性。在這些器件中，溫度系數通過有源溫度校正電路在整個溫度范圍內進行校準和校正。結果是一個 32-kHz TCXO 隨溫度變化的頻率變化小于 5-ppm。這種低水平的頻率變化會產生極其精確的時鐘，從而顯著節省功耗。憑借更高的準確性，無線系統對網絡計時更新的依賴程度更低，并且可以在更長的時間內保持睡眠模式。

圖 5：SiT1552 MEMS TCXO 頻率穩定性比石英 XTAL 精確 30 到 40 倍。

通過更好的頻率穩定性延長電池壽命

頻率穩定性，即時鐘在電壓和溫度范圍內的穩定性，轉化為節能。許多移動和物聯網設備通過在不活動時關閉具有最高電流消耗的功能塊來降低功耗。但是，系統必須喚醒并定期與網絡通信。更高的頻率穩定性使設備能夠長時間保持在低功耗狀態或睡眠狀態，從而顯著節省功耗。

許多可穿戴設備不斷收集數據并通過智能手機等互聯網集線器設備將其壓縮并上傳到云端。此上傳以持續幾毫秒的短脈沖傳輸，然后設備進入睡眠狀態以節省電力。循環睡眠場景是典型的電池供電設備，其中設備內核在稱為“睡眠時間”的預設時間內關閉，通常在 2 到 10 秒的范圍內，并在需要傳輸數據時喚醒。短暫的爆發。連接事件是設備的某些功能塊喚醒并在短時間內保持活動狀態的“ON”時間。

圖 6：早期開啟時間（或窗口加寬）受時鐘精度影響并導致功率損失。

功耗與“開啟”時間與設備處于“睡眠”狀態的時間之比成正比。而用于計時睡眠狀態的 32 kHz 時鐘的睡眠時鐘精度 (SCA) 對電池壽命有直接影響。睡眠時鐘不準確會導致無線電接收器 (RX) 更早開啟并保持更長時間，以避免丟失來自主機的數據包。以 ppm 為單位測量的時鐘不準確性會延長早期開啟時間 (ΔT)，如圖6所示：ΔT = (SCA) × (SLEEP TIME)。

下表顯示更嚴格的從時鐘精度可減少早期開啟時間，從而降低功耗。

基于 MEMS 的 TCXO，例如 SiT1552，隨溫度變化的頻率變化小于 5 ppm，是比石英晶體更準確的替代品。這種準確性減少了早期開啟時間，并允許系統在睡眠模式下停留更長時間。使用 SiT1552，系統設計人員可以僅在需要時利用壓縮和短脈沖傳輸數據，同時將設備長時間保持在最低功耗睡眠狀態，并有可能實現高達兩倍的電池壽命。?

圖 7：與石英 XTAL 諧振器相比，使用 MEMS TCXO 的電池壽命。

圖 7 顯示了與 200-ppm 32-kHz 石英晶體諧振器相比，使用 5-ppm 32-kHz TCXO 可節省 30% 的功率。顯示的是 2 秒到 20 秒的各種睡眠時間在 1 個連接間隔內的平均電流消耗的兩個圖。這些每個周期的平均值是根據 1.8 μA 的 BLE SoC 睡眠電流、9.3 mA 的無線電接收器功率、9 mA 的發射功率和大約 5 mA 的平均開啟時間基帶處理電流計算得出的。

通過可編程功能延長電池壽命

SiT15xx 器件中的模擬振蕩器 IC 支持多種功能，包括低噪聲維持電路、超低功耗精密 PLL 和超低功耗可編程輸出驅動器。具有亞赫茲分辨率的小數 N PLL 用于從 2.5 MHz 到 1 Hz 的器件校準和頻率編程。降低輸出頻率的能力顯著降低了電流消耗。石英 XTAL 由于低頻時諧振器的物理尺寸限制，不提供低于 32.768 kHz 的頻率。借助低頻選項，SiT15xx 系列在參考時鐘始終運行的電池供電應用中實現了新的架構可能性。

圖 8：獨特的 NanoDrive 輸出擺幅可編程低至 200 mV，以最大限度地降低功耗。

與標準振蕩器不同，SiT15xx 振蕩器可以通過振蕩器的高度可編程輸出驅動器與片上 32 kHz 振蕩器電路協同工作。輸出驅動器可以生成各種共模電壓和擺動電平，以匹配片上 32 kHz 振蕩器電路的不同實現，如圖 8 所示。該輸出擺幅可在工廠編程，從全擺幅降至 200 mVpp，以實現最低功耗。降低輸出頻率和輸出驅動器電流的能力顯著降低了輸出負載電流 (C × V × F)。有關負載計算的詳細信息和示例，請參見 SiT15xx 數據表，網址為https://www.sitime.com/products/khz-oscillators和https://www.sitime.com/products/mpower-oscillators-1-hz-26-mhz。

MEMS 的魯棒性提高 50 倍

就其應用的性質而言，物聯網和可穿戴設備可用于各種環境，并且可能會受到頻繁和極端的機械沖擊和振動。在惡劣環境中運行時，石英振蕩器會退化并且不符合數據表規范。一些石英振蕩器對正弦振動和沖擊特別敏感，并且會表現出顯著的頻率變化。與石英同類產品相比，SiT15xx 器件架構具有更高的可靠性和對惡劣環境因素的彈性。SiTime 諧振器的質量非常小（比石英諧振器小 1,000 倍）和結構設計使其對振動和沖擊等外力具有極強的免疫力。有關 MEMS 振蕩器的彈性和可靠性的更多詳細信息，請參閱技術論文：https://www.sitime.com/sites/default/files/gated/AN10045-SiTime-Resilience-Reliability-MEMS-Oscillators_0.pdf。

應用和設計示例

在可穿戴市場中，產品的功能不斷增加，同時它們必須消耗更少的功率和空間。32kHz MEMS 計時解決方案可用于真正的每秒脈沖 (pps) 計時、RTC 參考時鐘和電池管理計時，以延長電池壽命并縮小占用空間。

圖 9：典型的可穿戴計時架構。

圖 9 顯示了典型可穿戴設備的時鐘需求。低功耗 32 位 MCU 使用 16-MHz 晶振為內核和外設提供時鐘，而 32-kHz 晶振用于實時時鐘。MCU 將數據發送到連接芯片，該芯片使用用于睡眠時鐘計時的 32 kHz 晶體。

圖 10：健身器計時示例 1。

圖 10 說明了一種設計，其中可編程 1Hz 至 32kHz SiT1534 MEMS 振蕩器用于傳感器應用，32kHz MEMS SiT1532 參考時鐘驅動 MCU 中的 RTC。在此設計中，通過使用 1.5 × 0.8-mm CSP 振蕩器，電路板空間減少到一半以下。

圖 11：健身器計時示例 2。

圖 11 顯示了一個架構，其中兩個芯片需要 32-kHz 定時解決方案：微控制器的參考時鐘和藍牙芯片的睡眠時鐘。在這個設計中，一個微型 1.5 × 0.8-mm CSP 中的 MEMS 計時器件驅動兩個負載并取代了兩個 32-kHz 石英 XTAL。占位面積比在 2012 SMD 封裝中使用兩個石英 XTAL 加上四個所需負載電容器的設計小八倍。與 BLE 芯片的內部 32-kHz RC 溫度范圍相比，該設計還顯著節省了功耗，SiT1552 TCXO 的穩定性提高了 100 倍。

概括

基礎技術的進步推動了快速增長的可穿戴設備和物聯網領域的創新。MEMS 時序技術是實現更小尺寸、更低功耗和更高穩健性趨勢的關鍵支持技術之一。

MEMS 時序通過以下方式減少占用空間：

更小、更獨特的包裝

更高的集成度可減少組件數量

電路板布局靈活性

MEMS 時序通過以下方式降低功耗：

降低核心電流消耗

更高的頻率穩定性，可實現更長的睡眠狀態

可編程頻率

可編程輸出擺幅電壓

MEMS 時序通過以下方式提高穩健性：

更好的抗沖擊和振動誤差

MEMS XO/TCXO 為過去設計中使用的體積較大、精度較低的石英晶體時鐘源提供了替代方案。隨著物聯網隨著越來越小的電池供電設備繼續擴展，基于低頻 MEMS 的設備將提供最佳時序解決方案，并支持以前不可能的新產品。

審核編輯 黃昊宇