Energiebesparende en zeer snelle datacommunicatie of positionering na de slaapstand is alleen mogelijk met een zeer nauwkeurige en snelle 32,768 kHz systeemklok. Met een 32.768 kHz siliciumoscillator kan een batterijgevoede oplossing op basis van de slaapstandtechnologie meer dan 50 procent energie besparen. De specialisten van PETERMANN-TECHNIK leggen uit waarom 32,768 kHz siliciumoscillatoren steeds meer ingang vinden in batterijgevoede toepassingen van de hibernation-technologie en welke voordelen ze de gebruiker bieden.
Veel eindproducten maken gebruik van de hibernationtechnologie, waaronder wearables, Bluetooth Low Energy (BLE) communicatie-eenheden voor commerciële, industriële en automobieltoepassingen, IoT-toepassingen, GPS (commercieel en automobiel), M2M-communicatie, personal trackers en medische patiëntmonitoringsystemen, IoT, slimme meters, domotica, draadloos, enz.
Hoe werkt de slaapstandtechnologie
De slaapstandtechnologie wordt voornamelijk gebruikt in positioneringstoepassingen en in eindapparaten die verzamelde gegevens uitwisselen met een ontvanger via Bluetooth Low Energy (BLE). Om de levensduur van de batterij aanzienlijk te verlengen, worden circuits in deze apparaten die veel stroom verbruiken, zoals de IC's voor gegevensoverdracht en positionering, waar mogelijk in de energiebesparende slaapstand gezet. Zodra de gebruiker een nieuw doel zoekt of gegevens wil verzenden via Bluetooth Low Energy, moeten de uitgeschakelde gebieden binnen zeer korte tijd worden gewekt en worden omgeschakeld naar de energie-intensieve werkmodus (fig. 1).
Extreem kort ontwaken bespaart 50% systeemenergie
Voor snelle en energiezuinige datacommunicatie moet de 32.768 kHz systeemklok zeer nauwkeurig zijn, zodat de toepassing het proces in Fig. 1 zeer snel kan doorlopen en onmiddellijk weer in de slaapstand kan worden gezet.
Als de systeemklok onnauwkeurig is, wordt de energieverslindende procesreeks van afbeelding 1 herhaald totdat de gegevens zijn overgedragen van de zender naar het ontvangerapparaat, bijvoorbeeld van een wearable naar een smartphone. De herhalingen verhogen het energieverbruik en verkorten daardoor de levensduur van de batterij aanzienlijk. Bovendien maakt de zeer nauwkeurige 32.768 kHz referentiefrequentie ook de constante energieverslindende synchronisatie van de systeemklokken tussen zender en ontvanger overbodig. Een zeer lange autonome werktijd is een doorslaggevende factor voor het marktsucces van de zenderunit. Een patiëntbewakingsapparaat dat niet lang gebruikt kan worden vanwege het hoge energieverbruik zal nauwelijks geaccepteerd worden. Gebruikers zullen zich afvragen waarom ze hun apparaat moeten opladen of de batterij moeten vervangen en zullen het product niet aanbevelen of een negatieve recensie plaatsen op het internet.
In GPS-toepassingen is een ander aspect van een zeer nauwkeurige systeemklok voordelig om energie te besparen: de verlenging van de slaapperioden met behoud van de snelle start van minder dan één seconde.
Verschil tussen 32,768 kHz kristal en kristaloscillator en 32,768 kHz ultra-low power oscillator
Vanwege de kwartssnede kan de temperatuurstabiliteit van een 32,768 kHz kwartskristal - in tegenstelling tot een MHz kwartskristal - niet worden beperkt door de snijhoek te veranderen. Over het temperatuurbereik van -40 °C tot +85 °C is de meest nauwkeurige temperatuurstabiliteit van een 32,768 kHz kristal ongeveer -180 ppm (fig. 2), terwijl die van een MHz kristal ±15 ppm is.
De 32,768 kHz siliciumoscillator uit de ULPPO-serie van PETERMANN-TECHNIK, die slechts 1,5 x 0,8 mm meet, heeft bijvoorbeeld een temperatuurstabiliteit van ±5 ppm over het temperatuurbereik van -40 °C tot +85 °C en is daarom 36 keer nauwkeuriger dan een 32,768 kHz kwarts kristal. Bovendien is de veroudering van de ULPPO ±1 ppm na het eerste jaar en ±5 ppm na 10 jaar. De veroudering van een 32,768 kHz kristal is ±3 ppm na het eerste jaar en meer dan ±20 ppm na 10 jaar. De frequentiestabiliteit van een 32,768 kHz kristal bij 25 °C, standaardwaarde ±20 ppm, moet ook in aanmerking worden genomen bij de nauwkeurigheid van de toepassing. Een 32,768 kHz kristal genereert daarom alleen een zeer onnauwkeurige 32,768 kHz systeemklok, die alleen zeer langzame datacommunicatie mogelijk maakt en veel stroom verbruikt vanwege de beschreven datacommunicatieherhalingen.
Er zijn ook kwartsoscillatoren met 32,768 kHz op de markt. Deze zijn groter (2,5 x 2,0 mm of 3,2 x 2,5 mm) en gebruiken andere technologieën. Kwartsoscillatoren waarin de 32,768 kHz wordt gegenereerd door een MHz frequentie te delen (2,5 x 2,0 mm) zijn gangbaar. Dergelijke oscillatoren verbruiken een paar milliampère en zijn daarom volledig ongeschikt voor batterijgevoede oplossingen.
Andere 32,768 kHz kristaloscillatoren (3,2 x 2,5 mm) zijn direct gebaseerd op een 32,768 kHz kristal en verbruiken minder stroom als de frequentienauwkeurigheid van het kristal niet wordt gecompenseerd door het oscillator-IC. Het resultaat is echter dat de frequentie net zo onnauwkeurig is als die van een 32,768 kHz kristal, waardoor deze oscillator erg langzaam oscilleert.
De derde oplossing is gebaseerd op een 32,768 kHz kristal en een oscillator IC die de zeer hoge frequentienauwkeurigheid van het 32,768 kHz kristal compenseert, maar zeer langzaam start met typisch 3 seconden en daardoor veel stroomverslindende herhalingen veroorzaakt.
Energiebesparende oplossing van PETERMANN-TECHNIK
De meeste energiezuinige Bluetooth-oplossingen gebruiken twee 32.768 kHz kristallen (één voor de slaapmodus van het BLE IC en één voor de MCU-klok) en één MHz kristal als referentiefrequentie voor de BLE-chip (Fig. 3). In een typische draagbare toepassing kan een 32.768 kHz siliciumoscillator gelijktijdig de slaapmodus van de BLE en de MCU klokken. Dit bespaart enorm veel ruimte op de printplaat, want de ULPPO van 1,5 x 0,8 mm is maar half zo groot als het kleinste 32.768 kHz kristal van 1,6 x 1,2 mm en 85% kleiner dan een low-power kristaloscillator van 3,2 x 2,5 mm.
Als rekening wordt gehouden met de benodigde ruimte van een 32.768 kHz kristal met zijn twee externe ontkoppelcapaciteiten naar massa, heeft de ULPPO slechts 85 procent van de ruimte van een kristalgebaseerde oplossing nodig. De ULPPO heeft geen ontkoppelcondensatoren nodig, omdat het geïntegreerde IC de voedingsspanning zelf filtert.
Extreem laag stroomverbruik
Zelfs de standaardversie van PETERMANN-TECHNIK's 32.768 kHz siliciumoscillatoren heeft een extreem laag stroomverbruik van minder dan 1 µA bij een VDD van 1,8 VDC. Om het stroomverbruik nog verder te verlagen, kan de uitgangsamplitude van de oscillator worden aangepast aan de IC's die moeten worden geklokt. VOH kan worden ingesteld in het bereik van 0,6 tot 1,225 V en VOL in het bereik van 0,35 tot 0,8 V. Een PMIC of MCU met een voedingsspanning van 1,8 VDC heeft een VIH amplitude van 1,2 V of een VIL amplitude van 0,6 V nodig. Hierdoor kunnen de 32.768 kHz siliciumoscillatoren optimaal worden aangepast aan de MCU en de BLE op een energiebesparende manier: Een ander groot voordeel van de volgende generatie siliciumoscillatortechnologie dat een 32.768 kHz kwartsoscillator niet biedt.
Hoge betrouwbaarheid van de transiëntrespons
Omdat de 32,768 kHz kristallen zeer hoge weerstanden hebben, harmoniëren ze niet altijd perfect met de oscillatorstappen van de IC's die geklokt moeten worden. Soms oscilleert het kristal, soms niet. Als het dat wel doet, is het niet altijd duidelijk waarom. De negatieve ingangsweerstanden van de oscillatortrappen van de te klokken IC's lopen vaak enorm uiteen, of zelfs capacitief. Volgens metingen door specialisten van PETERMANN-TECHNIK is het niet ongewoon dat er meer dan 25% capacitieve spreiding optreedt. Dit maakt de optimale bedrading van een 32,768 kHz kwartskristal er niet eenvoudiger op en de frequentie wordt ook vervormd in de schakeling (frequentieverschuiving veroorzaakt door de afstemgevoeligheid in ppm/pF van een kwartskristal). Door een ultra-low-power 32,768 kHz silicium oscillator te gebruiken, kunnen niet alleen meerdere IC's tegelijk geklokt worden, maar zijn er ook geen transiëntproblemen en frequentieverschuivingen meer. Hoogste transiëntstabiliteit onder alle omstandigheden, bij elke temperatuur, op elk moment.
Enorme kostenbesparingen
Een 32.768 kHz silicium oscillator van PETERMANN-TECHNIK bespaart twee 32.768 kHz kristallen en de circuitcapaciteit, wat de benodigde ruimte op de printplaat enorm reduceert. Een aanzienlijk kleinere en gunstigere printplaat is daarom voldoende voor de toepassing. Bovendien zijn de ontwikkelings-, assemblage-, controle- en testkosten ook aanzienlijk lager. Rekening houdend met de lagere aanschaf- en verwerkingskosten van componenten en de gunstigere componentprijzen, bespaart de fabrikant van het apparaat niet alleen elektriciteit, maar ook geld.
Groenere technologie voor een slimmere wereld
Energiebesparend ontwerp begint bij het klokken. De ultra-low-power 32.768 kHz siliciumoscillatoren van PETERMANN-TECHNIK zijn een voorbeeld van hoe de juiste klokgeneratoren de systeemenergie van mobiele apparaten op basis van de slaapstandtechnologie met 50 procent kunnen verhogen. De experts van klokspecialist PETERMANN-Technik adviseren bij de selectie van geschikte componenten uit het "Next Generation Clocking" productassortiment met uitgebreide technische ondersteuning, design-in, snelle sample- en serielevering, waardoor een snelle time-to-market kan worden gerealiseerd.
Meer informatie is beschikbaar op:
SMD SPXO 32,768 kHz OSCILLATORS
of
Technische vragen:
Telefoon: 0 81 91 / 30 53 95
E-mail: info(at)petermann-technik.de
