Die Zeitanforderungen in modernen Metering Applikationen haben sich in den letzten Jahren stark verschärft. In modernen Metering Applikationen wird oftmals 1 Stunde Zeitversatz nach 7 Jahren gefordert. Dieser Wert sollte auch über den Arbeitstemperaturbereich der Applikation eingehalten werden können. 1 Stunde max. nach 7 Jahren entspricht einer Frequenztoleranz von ±16 ppm absolut bei 32.768 kHz. Diese Vorgaben können nicht mehr mit normalen 32.768 kHz Schwingquarzen eingehalten werden.
Einerseits, weil ein 32.768 kHz nur mit einer Frequenztoleranz bei +25°C von ±10ppm lieferbar ist, andererseits beträgt die Temperaturstabilität gut -180ppm über den Temperaturbereich von -40/+85°C. Die Alterung von ca. ±30 ppm nach 10 Jahren darf in der Genauigkeitsberechnung nicht vergessen werden. Im Worstcase hat ein 32.768 kHz Quarz eine maximale Frequenzstabilität von +40/-220ppm (inkl. Abgleich bei +25°C, Temperaturstabilität und Alterung nach 10 Jahren). Ein systematischer Frequenzversatz, hervorgerufen durch die internen Kapazitäten der Oszillatorstufe des zu taktenden ICs und Streukapazitäten, müssen durch externe Beschaltungskapazitäten kompensierbar sein. Sollte ein Layout ohne externe Beschaltungskapazitäten für den 32.768 kHz Quarz gewählt werden, dann ist dies sehr gefährlich, denn die Genauigkeit des 32.768 kHz Quarzes kann nicht korrigiert oder während der Serienfertigung sich plötzlich ändernden PCB-Verhältnissen angepasst werden. Eigentlich wurde der Schnittwinkel für den 32.768 kHz Quarz für die optimale Genauigkeit in einer Armbanduhr entwickelt und nicht für die meisten Anwendungen, in denen er heute verwendet wird.
Bild 1: Temperaturverhalten eines handelsüblichen 32.768 kHz Quarzes
Um den höchstgenauen Zeitvorgaben entsprechen zu können, bieten wir als der Clocking Spezialist den Ultra Low Power 32.768 kHz Oszillator der Serie ULPPO an. Dieser Oszillator kann mit jeder Spannung in einen VDD Bereich von 1.5 – 3.63 VDC betrieben werden. Der Stromverbrauch wird mit 0,99 µA spezifiziert. Die Temperaturstabilität des ULPPO’s beträgt ±5ppm über den Temperaturbereich von -40/+85°C. Die Frequenzstabilität (Anliefergenauigkeit plus Temperaturstabilität) beträgt ±10ppm, bzw. beträgt die Alterung nach 20 Jahren ±2ppm. Damit beträgt die maximale Gesamtstabilität des ULPPO ±12 ppm inklusive der Alterung nach 10 Jahren. Das sind Industries-Best-Parameters.
Zur Beschaltung des ultra kleinen Gehäuses (Gehäusefläche 1.2mm2) werden keine externen Beschaltungskapazitäten benötigt. Die Eingangsstufe des im ULPPO verbauten ICs filtert die Versorgungsspannung selber. Im Vergleich zu einem Quarz spart die Verwendung des ULPPO’s enorm viel Platz auf der Platine, so dass die Packungsdichte erhöht und kleinere Platinen entwickelt werden können. Durch die Amplitudenanpassung kann der Stromverbrauch des ULPPOs zusätzlich reduziert werden.
Bei der Platzberechnung müssen auf der Platine für einen Quarz auch die beiden externen Beschaltungskapazitäten berücksichtigt werden. Auch der kleinste 32.768 kHz Quarz benötigt mit den beiden externen Beschaltungskapazitäten immer mehr Platz auf der PCB, als wie der ULPPO.
Darüber hinaus haben sehr kleine 32.768 kHz Quarze sehr hohe Widerstände, die von den zu taktenden Oszillatorstufen oft nicht mehr sicher getrieben werden können, denn auch die Oszillatorstufen der zu taktenden ICs oder RTCs haben sehr große Toleranzen. Es kann daher zu plötzlichen Anschwingproblemen im Feld kommen, die mit dem ULPPO umgangen werden, so dass ein unter allen Umständen sicherer Betrieb der Applikation mit dem ULPPO möglich ist.
Eine Oszillatorstufe benötigt sehr viel Energie um einen 32.768 kHz Quarz am Oszillieren zu halten. Normalerweise lässt sich die Eingangsstufe eines MCU’s direkt mit dem LVCMOS Signal des ULPPO’s (meistens Xin) beschalten. Die Eingangsstufe des MCU’s kann somit abgeschaltet werden (Bypass-Funktion), so dass die dadurch eingesparte Energie in der Berechnung des Systemstromverbrauchs des Meters verwendet werden kann. Außerdem können mit einem ULPPO mehrere ICs gleichzeitig getaktet werden. Aufgrund der sehr hohen Genauigkeit des ULPPO müssen auch weniger Zeitsynchronisationen durchgeführt werden, was zudem Systemstrom einspart.
Selbstverständlich kann der ULPPO in allen Applikationen verwendet werden, die einen miniaturisierten Ultra Low Power 32.768 kHz Oszillator benötigen, wie z.B. Smartphones, Tablets, GPS, Fitnessuhren, Gesundheits- und Wellness-Applikationen, drahtlose Tastaturen, Zeitmessung, Timing Applikationen, Wearables, IoT, Home Automation, etc. Aufgrund der hohen Genauigkeit des 32.768 kHz Oszillator kann in Hypernation Technology Applikationen die Standby-Zeit oder auch die Hybernation Time deutlich ausgeweitet werden, sodass aufgrund der deutlich geringeren batterieintensiven Synchronisationszyklen sehr viel Systemstrom eingespart werden kann und dadurch der 32.768 kHz Oszillator die bessere Wahl als wie ein 32.768 kHz Quarz ist. Es gibt verschiedenste Genauigkeitsausführungen von den ultra low power 32.768 kHz Oszillatoren – siehe auch die Serie ULPO-RB1 und –RB2.
Unsere sehr erfahrenen Spezialisten können Ihnen durch umfangreiche Design-in Services optimale Unterstützung schnell und zielgerichtet beim Design-in dieses höchstinnovativen Bauteils bieten.
Weitere Informationen unter:
Ultra Low Power 32.768 kHz Oszillatoren
oder
SMD Silizium Oszillatoren ULPO-RB1 & ULPO-RB2
SMD Silizium Oszillator ULPPO
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