32.768 KHZ OSZILLATOREN FÜR HIBERNATION TECHNOLOGY APPLIKATIONEN

Nur mit einer hochgenauen und schnell anschwingenden 32.768-kHz-Systemclock ist eine energiesparende und sehr schnelle Datenkommunikation oder Positionsbestimmung nach dem Sleep Mode möglich. Mit einem 32.768-kHz-Silizium-Oszillator lassen sich in einer batteriebetriebenen, auf der Hibernation Technology basierenden Lösung über 50 Prozent Strom sparen. Die Spezialisten der PETERMANN-TECHNIK erklären, warum die 32.768-kHz-Silizium-Oszillatoren in batteriebetriebene Hibernation-Technology-Applikationen Fuß fassen und welche Vorteile sie dem Anwender bieten.

Viele Endprodukte nutzen die Hibernation Technology, darunter sind zum Beispiel Wearables, per Bluetooth-Low-Energy (BLE) kommunizierende Communication Units für Commercial, Industrial und Automotive, IoT-Applikationen, GPS (Commercial und Automotive), M2M-Kommunikation, Personal Tracker und medizinische Patientenüberwachungssysteme, IoT, Smart Metering, Home Automation, Wireless, usw..

Wie funktioniert die Hibernation Technology

Die Hibernation Technology wird hauptsächlich in positionsbestimmenden Applikationen und in Endgeräten verwendet, die gesammelte Daten per Bluetooth-Low-Energy (BLE) mit einem Empfänger austauschen. Um die Batterielebensdauer deutlich zu erhöhen, werden in diesen Geräten besonders stromhungrige Schaltungsbereiche wie die ICs zur Datenübertragung und Positionsbestimmung in den energiesparenden Sleep Mode versetzt, wann immer dies möglich ist. Sobald der Anwender ein neues Ziel sucht oder per Bluetooth-Low-Energy Daten übertragen will, müssen die ausgeschalteten Bereiche innerhalb kürzester Zeit aufgeweckt und in den energieintensiven Arbeitsmodus versetzt werden (Bild 1).

Extrem kurzer Wake-up spart 50% Systemenergie

Zur schnellen und energieeffizienten Datenkommunikation muss die 32.768-kHz-Systemclock hochgenau sein, damit die Applikation den in Bild 1 dargestellten Prozess sehr schnell durchlaufen und sofort wieder in den Sleep Mode versetzt werden kann.
Bei ungenauer Systemclock wiederholt sich der in Bild 1 dargestellte energieverbrauchende Prozessablauf so oft, bis die Daten von der Sender-Unit auf das Empfängergerät übertragen wurden, beispielsweise von einem Wearable zum Smartphone. Die Wiederholungen erhöhen den Energieverbrauch und reduzieren damit erheblich die Batterielebensdauer. Darüber hinaus werden durch die hochgenaue 32.768 kHz Referenzfrequenz auch die ständigen energieverbrauchenden Synchronisationen der Systemclocks zwischen Sender und Emfpänger überflüssig. Für den Markterfolg der Sender-Unit ist eine sehr lange autarke Betriebszeit mitentscheidend. Ein Patientenüberwachungsgerät, das wegen seines hohen Energieverbrauchs keinen langen Einsatzzeitraum zulässt, wird kaum akzeptiert. Der Anwender fragt sich, warum er sein Gerät schon wieder nachladen oder die Batterie tauschen muss und wird das entsprechende Produkt nicht weiterempfehlen oder eine negative Beurteilung ins Internet stellen.
Bei GPS-Applikationen ist ein anderer Aspekt einer sehr präzisen Systemclock vorteilhaft für die Energieeinsparung: Die Ausweitung der Hibernation-Perioden unter Beibehaltung des Schnellstarts von unter einer Sekunde.

Unterschied 32.768-kHz-Quarz und Quarzoszillator zu 32.768-kHz-Ultra-Low-Power-Oszillator

Aufgrund des Quarzschnittes kann die Temperaturstabilität eines 32.768-kHz-Quarzes – anders als bei einem MHz-Quarz – nicht durch Veränderung des Schnittwinkels eingeengt werden. Über den Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C beträgt die genaueste Temperaturstabilität eines 32.768-kHz-Quarzes etwa -180 ppm (Bild 2), die eines MHz-Quarzes jedoch ±15 ppm.
So weist beispielsweise der nur 1,5 x 0,8 mm große 32.768-kHz-Silizium-Oszillator der Serie ULPPO von der PETERMANN-TECHNIK eine Temperaturstabilität von ±5 ppm über den Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C auf und ist damit 36-mal genauer als ein 32.768-kHz-Quarz. Darüber hinaus beträgt die Alterung des ULPPO nach dem ersten Jahr ±1 ppm, nach 10 Jahren ±5 ppm. Die Alterung eines 32.768-kHz-Quarzes liegt nach dem ersten Jahr bei ±3 ppm und nach 10 Jahren bei weit über ±20 ppm. Die Frequenzstabilität eines 32.768-kHz-Quarzes bei 25 °C, Standardwert ±20 ppm, ist auch noch in der Genauigkeitsbetrachtung der Applikation einzubeziehen. Ein 32.768-kHz-Quarz erzeugt also nur eine sehr ungenaue 32.768 kHz Systemclock, die nur eine sehr langsame Datenkommunikation ermöglicht und durch die beschriebenen Datenkommunikationswiederholungen sehr viel Strom verbraucht.
Am Markt sind auch Quarzoszillatoren mit 32.768 kHz erhältlich. Diese sind größer (2,5 x 2,0 mm bzw. 3,2 x 2,5 mm) und verwenden unterschiedliche Technologien. Üblich sind Quarzoszillatoren, bei denen die 32.768 kHz durch Teilung einer MHz-Frequenz erzeugt wird (2,5 x 2,0 mm). Solche Oszillatoren verbrauchen einige Milliampere und sind somit für batteriebetriebene Lösungen völlig ungeeignet.
Andere 32.768-kHz-Quarzoszillatoren (3,2 x 2,5 mm) basieren direkt auf einem 32.768-kHz-Quarz und verbrauchen weniger Strom, wenn die Frequenzgenauigkeit des Quarzes nicht durch den Oszillator-IC kompensiert wird. Dadurch ist die Frequenz aber genauso ungenau wie die eines 32.768-kHz-Quarzes, wobei dieser Oszillator sehr langsam anschwingt.
Der dritte Lösungsansatz basiert auf einem 32.768-kHz-Quarz und einem Oszillator-IC, das die sehr große Frequenzgenauigkeit des 32.768-kHz-Quarzes kompensiert, aber mit typisch 3 Sekunden sehr langsam startet und somit viele stromverbrauchende Wiederholungen bewirkt.

Stromsparender Lösungsansatz der PETERMANN-TECHNIK

Die meisten Bluetooth-Low-Energy-Lösungen verwenden zwei 32.768-kHz-Quarze (einen für den Sleep Mode des BLE-ICs und einen für die MCU-Clock) sowie einen MHz-Quarz als Referenzfrequenz für den BLE-Chip (Bild 3). In einer typischen Wearable-Applikation kann ein 32.768-kHz-Silizium-Oszillator gleichzeitig den Sleep Mode des BLE und den MCU takten. Das spart enorm viel Platz auf der Platine, da der ULPPO mit 1,5 x 0,8 mm nur in etwa halb so groß ist wie der kleinste 32.768-kHz-Quarz mit 1,6 x 1,2 mm und 85 Prozent kleiner als ein Low-Power-Quarzoszillator mit 3,2 x 2,5 mm.
Berücksichtigt man den Platzbedarf eines 32.768-kHz-Quarzes mit seinen beiden externen Entkopplungskapazitäten nach Masse, benötigt der ULPPO nur noch 85 Prozent des Platzes einer quarzbasierten Lösung. Der ULPPO kommt ohne Entkopplungskapazitäten aus, da der verbaute IC die Versorgungspannung selber filtert.

Extrem geringer Stromverbrauch
Die 32.768-kHz-Silizium-Oszillatoren der PETERMANN-TECHNIK haben schon in der Standardversion einen extrem niedrigen Stromverbrauch von unter 1 µA bei einer VDD von 1,8 VDC. Um den Stromverbrauch weiter reduzieren zu können, kann die Ausgangsamplitude des Oszillators an die zu taktenden ICs angepasst werden. Dabei ist VOH im Bereich von 0,6 bis 1,225 V einstellbar, bzw. VOL im Bereich von 0,35 bis 0,8 V. Ein PMIC oder MCU mit einer Versorgungsspannung von 1,8 VDC benötigt eine VIH-Amplitude von 1,2 V bzw. eine VIL-Amplitude von 0,6 V. Damit lassen sich die 32.768-kHz-Silizium-Oszillatoren optimal stromsparend an den MCU und den BLE anpassen: Ein weiterer großer Vorteil der Next-Generation-Silizium-Oszillator-Technology, den ein 32.768-kHz-Quarzoszillator nicht bietet.

Hohe Anschwingsicherheit
Da die 32.768 kHz Quarze sehr hohe Widerstände haben, harmonieren diese nicht immer optimal mit den Oszillatorstufen der zu taktenden ICs. Mal schwingt der Quarz an, mal eben nicht. Wenn doch, dann ist nicht immer klar, warum. Dabei streuen die negativen Eingangswiderstände der Oszillatorstufen der zu taktenden ICs oft gewaltig, bzw. auch kapazitiv. Laut Messungen der Spezialisten der PETERMANN-TECHNIK sind dabei über 25% kapazitive Streuung keine Seltenheit. Damit wird die optimale Beschaltung eines 32.768 kHz Quarzes nicht einfacher und die Frequenz wird in der Schaltung auch verzogen (Frequency Shift hervorgerufen durch die Tuning Sensivity in ppm/pF eines Quarzes). Durch die Verwendung eines Ultra-?Low-?Power 32.768 kHz Silizium Oszillators können nicht nur mehrere ICs gleichzeitig getaktet werden, sondern es gibt auch keine Anschwingprobleme und Frequency Shifts mehr. Höchste Anschwingsicherheit unter allen Umständen, bei jeder Temperatur, zu jeder Zeit.

Enorme Kostenersparnis
Ein 32.768-kHz-Silizium-Oszillator der PETERMANN-TECHNIK spart zwei 32.768-kHz-Quarze und die Beschaltungskapazitäten ein was den Platzbedarf auf der Platine enorm verringert. Für die Anwendung genügt damit eine deutlich kleinere und günstigere Platine. Des Weiteren reduziert sich auch der Entwicklungs-, Bestückungs-, Kontroll- und Testaufwand beträchtlich. Berücksichtigt man die geringeren Bauteilebeschaffungs- und -handlingkosten sowie günstigere Bauteilepreise spart sich der Gerätehersteller nicht nur Strom, sondern auch Geld.

Greener Technology for a smarter World
Stromsparendes Design fängt mit dem Clocking an. Die Ultra-Low-Power-32.768 kHz-Silizium-Oszillatoren aus dem Hause PETERMANN-TECHNIK sind ein Beispiel, wie man mit den richtigen Taktgebern die Systemenergie mobiler, auf der Hibernation Technology basierender, Geräte um 50 Prozent verlängern kann. Die Experten des Clocking-Spezialisten PETERMANN-Technik beraten bei der Auswahl geeigneter Komponenten aus dem „Next Generation Clocking“ Produktspektrum mit umfassendem technischen Support, Design-in, schneller Muster- und Serienlieferung womit sich ein schnelles Time-to-market erreichen lässt.

Weitere Informationen unter:
32.768 kHz SOLUTIONS

Technische Fragen:
Telefon: 0 81 91 / 30 53 95
E-Mail: info@petermann-technik.de

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