Selezione dei cristalli per MCU automotive SPC5 e STM8

I microcontroller (MCU) e il software associato continuano a migliorare le automobili, rendendole più intelligenti, sicure ed efficienti. Per essere efficaci, gli MCU necessitano di fonti di temporizzazione accurate per l'esecuzione in tempo reale, i protocolli di comunicazione e la registrazione del tempo in generale. Nonostante l'ambiente operativo difficile, queste misure temporali devono essere precise, affidabili ed economiche. Gli oscillatori a cristallo sono fondamentali per garantire una temporizzazione accurata e un funzionamento stabile in queste applicazioni.

Per una temporizzazione accurata è necessario che i cristalli siano qualificati per questo ruolo vitale nell'ottica del "caso peggiore", senza spazio per i compromessi. Tuttavia, pochi ingegneri conoscono le particolarità insite nella selezione dei cristalli, il che aumenta la probabilità di errori di temporizzazione per l'intera vita utile del prodotto. Il rischio di errore può essere mitigato utilizzando strumenti appropriati che snelliscono e semplificano il processo di selezione.

Questo articolo illustra brevemente i problemi di temporizzazione che devono affrontare i progettisti di sistemi elettronici automotive. Presenta quindi uno strumento di selezione di ECS, Inc., un fornitore di componenti automotive qualificati AEC-Q200, e mostra come faciliti la selezione e l'implementazione dei cristalli per la temporizzazione degli MCU automotive. Sono presi in esempio gli MCU serie SPC5x e STM8x di STMicroelectronics.

Oscillatori a cristallo

Gli MCU utilizzano una base temporale per fornire clock interni per la sincronizzazione delle operazioni, la generazione della temporizzazione interna, l'attivazione degli interrupt e l'implementazione di funzioni quali i sistemi operativi in tempo reale. Il clock di base è un oscillatore a cristallo preciso utilizzato per garantire l'accuratezza e la stabilità nel tempo e nell'intervallo di temperatura.

Gli MCU per il settore automotive, come le serie SPC5x e STM8x di STMicroelectronics, sono progettati con oscillatori integrati contenenti un amplificatore invertente e un resistore di retroazione. Il resistore di retroazione, collegato tra l'ingresso e l'uscita dell'inverter, fa funzionare quest'ultimo come un amplificatore lineare. Un elemento risonante, come un cristallo piezoelettrico e la relativa circuiteria, sono collegati all'inverter interno per completare l'oscillatore (Figura 1, a sinistra).

Figura 1: Un oscillatore di clock è il risultato creato quando un risonatore a cristallo esterno e la circuiteria associata sono collegati all'inverter interno dell'MCU e al resistore di retroazione (a sinistra); i cristalli hanno risonanze sia in serie che in parallelo (a destra). (Immagine per gentile concessione di ECS, Inc.)

Il modello di circuito equivalente di resistore, induttore e condensatore (RLC) del cristallo è costituito da un induttore (L₁) in serie con un condensatore (C₁) e un resistore (R₁). In parallelo ai componenti serie si trova un condensatore in derivazione (C₀), che rappresenta la capacità di ingresso e di uscita dell'inverter, il contenitore del cristallo e il cablaggio associato. Il ramo in serie determina la frequenza di risonanza seriale del cristallo (F_s). Il condensatore in parallelo risuona con il ramo seriale, producendo la frequenza parallela o di antirisonanza del cristallo (F_a). Il grafico della reattanza mostra entrambe le risonanze (Figura 1, a destra); la risonanza seriale si verifica sempre a una frequenza inferiore rispetto alla risonanza parallela.

In genere, l'oscillatore è impostato su una frequenza compresa tra le risonanze seriale e parallela, dove il carico capacitivo serve per regolare la frequenza dell'oscillatore. La frequenza specificata del cristallo è associata a una precisa capacità di carico. Una capacità di carico superiore al carico specificato del cristallo abbassa la frequenza dell'oscillatore, mentre una capacità di carico inferiore la alza.

L'oscillatore della Figura 1 è una configurazione di oscillatore Pierce ed è costituito da due rami: il ramo attivo (l'inverter interno dell'MCU) e il ramo passivo (cristallo e componenti associati). Il cristallo e i condensatori C₁ e C₂ formano una rete a pi greco selettiva in frequenza nell'anello di retroazione dell'oscillatore. Il filtro pi greco fornisce uno spostamento di fase di 180° alla frequenza di oscillazione desiderata.

Condizioni per l'avvio dell'oscillatore

L'oscillatore è un circuito di retroazione che avvia e mantiene un'oscillazione stabile. Le condizioni teoriche di retroazione per l'avvio dell'oscillatore prevedono che l'anello abbia un guadagno unitario e uno spostamento di fase di zero gradi. Il cristallo nell'anello di retroazione è un elemento passivo con perdite associate. Affinché l'oscillatore funzioni, il ramo attivo deve fornire una resistenza negativa superiore alla resistenza equivalente in serie (ESR) del cristallo. Le perdite del cristallo sono una funzione della sua ESR, della frequenza di oscillazione e delle capacità parallela e di carico del circuito. L'ESR di un cristallo è riportata nella relativa scheda tecnica. La resistenza negativa dell'oscillatore deve essere pari ad almeno cinque volte l'ESR.

Un altro approccio alle condizioni di avvio dell'oscillatore consiste nel considerare la sua transconduttanza (g_m), misurata in milliampere per volt (mA/V). In questo caso, il guadagno dell'inverter deve superare le perdite dell'anello di retroazione. Il minimo teorico è un guadagno critico dell'anello pari a uno, sebbene questo non sia un limite pratico. In pratica, il guadagno dell'amplificatore dovrebbe risultare in un margine di guadagno pari a cinque volte il guadagno critico del caso peggiore (g_mcrit). Il g_mcrit è la transconduttanza minima di un oscillatore necessaria per mantenere un'oscillazione stabile. Il guadagno critico è una funzione dell'ESR, della frequenza e della capacità, secondo l'equazione: g_mcrit = 4 × ESR × (2pF)² × (C₀ +C_L)².

La transconduttanza dell'oscillatore è riportata nella scheda tecnica dell'MCU.

Come funzione del guadagno critico nel caso peggiore, Gmcrit-Max utilizza la stessa equazione ma inserisce i valori massimi di ciascun parametro del cristallo ricavati dalla scheda tecnica. Un guadagno dell'oscillatore superiore a cinque volte Gmcrit-Max assicura un funzionamento corretto in tutte le condizioni.

Le prestazioni di avvio sono valutate in base alla capacità dell'oscillatore di iniziare a funzionare in modo costante in tutte le condizioni ambientali contemplate per il circuito, nonché alla sua latenza, ossia il tempo necessario per l'avvio (Figura 2).

Figura 2: L'oscillatore si avvia quando il guadagno unitario viene raggiunto con l'aumento di V_DD. Il tempo di avvio viene misurato da quando V_DD diventa non 0 V fino a quando l'oscillatore si stabilizza alla frequenza del cristallo. (Immagine per gentile concessione di ECS, Inc.)

Livello di pilotaggio del cristallo

I cristalli dissipano energia a causa della corrente che li attraversa. Il livello di potenza di pilotaggio è il prodotto della corrente RMS che attraversa il cristallo al quadrato, moltiplicata per l'ESR. I cristalli hanno un livello di pilotaggio massimo specificato, in genere indicato in milliwatt (mW) o microwatt (μW). Il superamento del massimo livello di pilotaggio può causare un funzionamento instabile, il salto di modalità, una ridotta vita utile del prodotto o addirittura il guasto del cristallo. Inoltre, se il livello di pilotaggio è troppo basso, l'oscillatore potrebbe non avviarsi.

Il livello di pilotaggio può essere controllato introducendo un resistore in serie con il cristallo. Il resistore R_S nella Figura 1 ne è un esempio: controlla la corrente attraverso il cristallo e mantiene il livello di pilotaggio entro le specifiche.

Modalità di funzionamento del cristallo

Le dimensioni dell'elemento del cristallo determinano la sua frequenza fondamentale. Lo spessore dell'elemento del cristallo diminuisce con l'aumentare della sua frequenza. A un certo punto, il cristallo è troppo sottile e fragile per funzionare in modo affidabile. Questa frequenza limite è di circa 50 MHz.

Gli oscillatori a cristallo che funzionano a frequenze più elevate utilizzano cristalli progettati per enfatizzare le armoniche dispari della frequenza fondamentale del cristallo. Queste frequenze sono dette armoniche. I cristalli armonici sono designati dal numero armonico, come terzo, quinto o settimo modo armonico. Questi cristalli hanno una struttura diversa da quella dei cristalli di modo fondamentale. I progetti di oscillatori armonici possono incorporare elementi circuitali, come i circuiti risonanti L-C, per sopprimere la frequenza fondamentale e garantire il funzionamento alla frequenza armonica desiderata.

Tolleranza e stabilità della frequenza

La tolleranza di frequenza si riferisce alla deviazione misurata dell'oscillatore rispetto alla frequenza di progetto. La tolleranza è tipicamente misurata in parti per milione (ppm), di solito a una temperatura di +25 °C.

La stabilità di frequenza misura la variazione della frequenza di un oscillatore nel tempo o in un determinato intervallo di temperatura e viene anch'essa misurata in ppm. Numerosi fattori possono influire sulla stabilità del cristallo, tra cui la temperatura, la tensione di funzionamento e l'invecchiamento, che consiste in una lenta variazione della frequenza del cristallo nel tempo. L'invecchiamento si misura in ppm all'anno. Il sovrapilotaggio del cristallo può anche ridurne la stabilità.

Per chiarire, un ppm significa che la frequenza di un cristallo da 1 MHz può variare di 1 Hz, che equivale allo 0,0001%. Ad esempio, un cristallo da 8 MHz con una tolleranza di 30 ppm può variare in frequenza di 240 Hz rispetto alla frequenza nominale.

Qualificazione AEC-Q200

Come altri dispositivi passivi destinati all'installazione nei veicoli elettrici, i cristalli devono essere qualificati per soddisfare gli esigenti requisiti imposti da tale ambiente, tra cui lo standard globale AEC-Q200 per la resistenza alle sollecitazioni. I componenti sono considerati "qualificati AEC-Q200" se hanno superato i severi test di sollecitazione per, a titolo di esempio, temperatura, shock termico, resistenza all'umidità, tolleranza dimensionale, resistenza ai solventi, urti meccanici, vibrazioni, scariche elettrostatiche, saldabilità e flessibilità della scheda.

Strumento di selezione dei cristalli

Lo strumento di selezione dei cristalli di ECS, Inc. Automotive Crystal Selector è un metodo semplice per abbinare i cristalli di tipo automotive agli MCU SPC5 e STM8 di STMicroelectronics qualificati per il settore automotive.

Lo strumento di selezione fornisce al progettista un elenco di MCU SPC5 e STM8 e di cristalli ECS qualificati per il settore automotive, oltre a una visualizzazione dei parametri dell'oscillatore a cristallo (Figura 3).

Figura 3: La pagina iniziale dell'Automotive Crystal Selector mostra un elenco di MCU e cristalli. (Immagine per gentile concessione di ECS, Inc.)

Gli MCU di STMicro sono elencati nell'area blu. I cristalli sono visualizzati nell'area bianca. Il processo inizia con la selezione di un MCU, ad esempio il modello SPC56AP in cima all'elenco degli MCU (Figura 4).

Figura 4: Dopo aver selezionato l'MCU SPC56AP, vengono presentati i cristalli compatibili e i relativi parametri di progettazione. (Immagine per gentile concessione di ECS, Inc.)

Quando si seleziona l'MCU SPC56AP, lo strumento aggiorna l'elenco dei cristalli per mostrare solo quelli compatibili con tali MCU, insieme ai parametri di progettazione associati. A questo punto, il progettista seleziona i parametri desiderati. Ad esempio, supponiamo che si desideri una frequenza di clock di 8 MHz e il massimo margine di guadagno di 23,42. Queste selezioni riduce la scelta del cristallo a un solo componente, il cristallo ECS-80-8-30Q-VY-TR (Figura 5).

Figura 5: Selezionando i parametri del cristallo desiderati si individua il cristallo ECS-80-8-30Q-VY-TR. (Immagine per gentile concessione di ECS, Inc.)

Questo cristallo da 8 MHz è progettato per funzionare con un carico capacitivo di 8 pF e ha una tolleranza di 30 ppm. Utilizzato insieme all'MCU SPC56AP, ha un gmcrit di 0,17 mA/V e un gm di 4 mA/V, che si traduce in un margine di guadagno effettivo di 23,42. Il margine di guadagno nel caso peggiore, basato su Gmcrit-Max, è 5.

Un altro esempio utilizza un processore STM8AF che funziona a una frequenza di clock di 24 MHz. Questa scelta di ingressi produce il modello ECS-240-8-33B2Q-CVY-TR3 (Figura 6), un cristallo da 24 MHz destinato a funzionare con un carico capacitivo di 8 pF e una tolleranza di frequenza di 10 ppm.

Figura 6: La selezione di un cristallo per un processore STM8AF a 24 MHz porta al modello ECS-240-8-33B2Q-CVY-TR3. (Immagine per gentile concessione di ECS, Inc.)

Tutti i cristalli della guida alla selezione sono qualificati AEC-200 con un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -40 e 150 °C.

Conclusione

Gli MCU automotive funzionano in ambienti difficili e devono essere supportati da cristalli di clock adeguati. La scelta dei cristalli di clock richiede la comprensione dei parametri chiave, tra cui frequenza, intervallo di temperatura, tolleranza, stabilità, ESR e transconduttanza, per garantire una temporizzazione e una stabilità precise. ECS, Inc. offre uno strumento che aiuta a scegliere tra l'ampia gamma di cristalli qualificati AEC-Q200 abbinati agli MCU serie STM8x e SPC5x.