La comunicazione dei dati o il posizionamento dopo la modalità di sospensione sono possibili solo con un orologio di sistema a 32.768 kHz altamente preciso e veloce. Con un oscillatore al silicio da 32.768 kHz, una soluzione a batteria basata sulla tecnologia di ibernazione può risparmiare oltre il 50% di energia. Gli specialisti di PETERMANN-TECHNIK spiegano perché gli oscillatori al silicio da 32.768 kHz si stanno affermando nelle applicazioni con tecnologia di ibernazione a batteria e quali vantaggi offrono all'utente.
Molti prodotti finali utilizzano la tecnologia di ibernazione, tra cui gli indossabili, le unità di comunicazione Bluetooth Low Energy (BLE) per applicazioni commerciali, industriali e automobilistiche, le applicazioni IoT, il GPS (commerciale e automobilistico), la comunicazione M2M, i tracker personali e i sistemi di monitoraggio medico dei pazienti, l'IoT, i contatori intelligenti, la domotica, il wireless, ecc...
Come funziona la tecnologia di ibernazione
La tecnologia di ibernazione è utilizzata principalmente nelle applicazioni di posizionamento e nei dispositivi finali che scambiano i dati raccolti con un ricevitore tramite Bluetooth Low Energy (BLE). Per aumentare in modo significativo la durata della batteria, in questi dispositivi le aree dei circuiti particolarmente assetate di energia, come i circuiti integrati per la trasmissione dei dati e il posizionamento, vengono commutate in modalità sleep a risparmio energetico ogni volta che è possibile. Non appena l'utente cerca un nuovo bersaglio o vuole trasmettere dati tramite Bluetooth Low Energy, le aree spente devono essere risvegliate entro un tempo molto breve e commutate in modalità di lavoro ad alta intensità energetica (Fig. 1).
Il risveglio estremamente breve consente di risparmiare il 50% dell'energia del sistema
Per una comunicazione dei dati veloce ed efficiente dal punto di vista energetico, l'orologio di sistema a 32.768 kHz deve essere molto preciso, in modo che l'applicazione possa eseguire molto rapidamente il processo illustrato nella Fig. 1 e tornare immediatamente in modalità sleep.
Se l'orologio di sistema è impreciso, la sequenza di processi ad alto consumo energetico illustrata nella Figura 1 viene ripetuta finché i dati non sono stati trasferiti dall'unità trasmittente al dispositivo ricevente, ad esempio da un wearable a uno smartphone. Le ripetizioni aumentano il consumo energetico e quindi riducono significativamente la durata della batteria. Inoltre, l'elevata precisione della frequenza di riferimento di 32.768 kHz elimina la necessità di una costante sincronizzazione degli orologi di sistema tra trasmettitore e ricevitore, che consuma energia. La lunghissima autonomia di funzionamento è un fattore decisivo per il successo di mercato dell'unità trasmittente. Un dispositivo di monitoraggio del paziente che non consente un lungo periodo di utilizzo a causa del suo elevato consumo energetico difficilmente sarà accettato. Gli utenti si chiederanno perché devono ricaricare il dispositivo o sostituire la batteria e non consiglieranno il prodotto o pubblicheranno una recensione negativa su Internet.
Nelle applicazioni GPS, un altro aspetto di un orologio di sistema molto preciso è vantaggioso per il risparmio energetico: l'estensione dei periodi di ibernazione, pur mantenendo l'avvio rapido di meno di un secondo.
Differenza tra cristallo e oscillatore a cristallo da 32,768 kHz e oscillatore a bassissima potenza da 32,768 kHz
Grazie al taglio al quarzo, la stabilità della temperatura di un cristallo al quarzo da 32,768 kHz - a differenza di un cristallo al quarzo da MHz - non può essere limitata modificando l'angolo di taglio. Nell'intervallo di temperatura compreso tra -40 °C e +85 °C, la stabilità di temperatura più accurata di un cristallo a 32.768 kHz è di circa -180 ppm (Fig. 2), mentre quella di un cristallo a MHz è di ±15 ppm.
Ad esempio, l'oscillatore al silicio da 32.768 kHz della serie ULPPO di PETERMANN-TECHNIK, che misura solo 1,5 x 0,8 mm, ha una stabilità di temperatura di ±5 ppm nell'intervallo di temperatura da -40 °C a +85 °C ed è quindi 36 volte più preciso di un cristallo di quarzo da 32.768 kHz. Inoltre, l'invecchiamento dell'ULPPO è di ±1 ppm dopo il primo anno e di ±5 ppm dopo 10 anni. L'invecchiamento di un cristallo da 32,768 kHz è di ±3 ppm dopo il primo anno e di oltre ±20 ppm dopo 10 anni. Anche la stabilità di frequenza di un cristallo da 32.768 kHz a 25 °C, valore standard ±20 ppm, deve essere presa in considerazione quando si considera la precisione dell'applicazione. Un cristallo da 32,768 kHz genera quindi solo un orologio di sistema molto impreciso da 32,768 kHz, che consente solo una comunicazione dati molto lenta e consuma molta energia a causa delle ripetizioni di comunicazione dati descritte.
Sul mercato sono disponibili anche oscillatori al quarzo a 32.768 kHz. Sono più grandi (2,5 x 2,0 mm o 3,2 x 2,5 mm) e utilizzano tecnologie diverse. Sono comuni gli oscillatori al quarzo in cui i 32.768 kHz sono generati dividendo una frequenza di MHz (2,5 x 2,0 mm). Tali oscillatori consumano pochi milliampere e sono quindi del tutto inadatti a soluzioni alimentate a batteria.
Altri oscillatori a cristallo da 32.768 kHz (3,2 x 2,5 mm) si basano direttamente su un cristallo da 32.768 kHz e consumano meno corrente se la precisione della frequenza del cristallo non viene compensata dal circuito integrato dell'oscillatore. Di conseguenza, però, la frequenza è altrettanto imprecisa di quella di un cristallo da 32.768 kHz e l'oscillatore oscilla molto lentamente.
La terza soluzione si basa su un cristallo da 32.768 kHz e su un circuito integrato di oscillazione che compensa l'elevatissima precisione di frequenza del cristallo da 32.768 kHz, ma si avvia molto lentamente, tipicamente a 3 secondi, causando quindi molte ripetizioni che consumano corrente.
Soluzione a risparmio energetico di PETERMANN-TECHNIK
La maggior parte delle soluzioni Bluetooth a basso consumo energetico utilizza due cristalli da 32.768 kHz (uno per la modalità sleep del circuito integrato BLE e uno per l'orologio dell'MCU) e un cristallo a MHz come frequenza di riferimento per il chip BLE (Fig. 3). In una tipica applicazione indossabile, un oscillatore al silicio da 32.768 kHz è in grado di eseguire contemporaneamente il clock della modalità sleep del BLE e dell'MCU. In questo modo si risparmia un'enorme quantità di spazio sulla scheda di circuito, poiché l'ULPPO, con dimensioni di 1,5 x 0,8 mm, è solo circa la metà del più piccolo cristallo da 32.768 kHz, con dimensioni di 1,6 x 1,2 mm, e l'85% più piccolo di un oscillatore a cristallo a bassa potenza, con dimensioni di 3,2 x 2,5 mm.
Se si considera l'ingombro di un cristallo da 32.768 kHz con le sue due capacità di disaccoppiamento esterne verso massa, l'ULPPO richiede solo l'85% dello spazio di una soluzione a cristallo. L'ULPPO non richiede condensatori di disaccoppiamento, poiché il circuito integrato filtra la tensione di alimentazione.
Consumo di energia estremamente ridotto
Anche la versione standard degli oscillatori al silicio da 32.768 kHz di PETERMANN-TECHNIK ha un consumo di corrente estremamente basso, inferiore a 1 µA con una VDD di 1,8 VCC. Per ridurre ulteriormente il consumo di corrente, l'ampiezza di uscita dell'oscillatore può essere adattata ai circuiti integrati da clockare. VOH può essere impostato in un range compreso tra 0,6 e 1,225 V e VOL in un range compreso tra 0,35 e 0,8 V. Un PMIC o un MCU con una tensione di alimentazione di 1,8 VCC richiede un'ampiezza VIH di 1,2 V o un'ampiezza VIL di 0,6 V. Ciò consente di adattare in modo ottimale gli oscillatori al silicio da 32.768 kHz all'MCU e al BLE, risparmiando energia: Un altro grande vantaggio della tecnologia degli oscillatori al silicio di nuova generazione che un oscillatore al quarzo da 32.768 kHz non offre.
Elevata affidabilità della risposta ai transienti
Poiché i cristalli a 32.768 kHz hanno resistenze molto elevate, non sempre si armonizzano perfettamente con gli stadi oscillatori dei circuiti integrati da clockare. A volte il cristallo oscilla, a volte no. Se lo fa, non è sempre chiaro il motivo. Le resistenze di ingresso negative degli stadi oscillatori dei circuiti integrati da clock spesso si disperdono enormemente, o addirittura in modo capacitivo. Secondo le misurazioni effettuate dagli specialisti di PETERMANN-TECHNIK, non è raro che si verifichi una dispersione capacitiva superiore al 25%. Questo non facilita il cablaggio ottimale di un cristallo di quarzo da 32,768 kHz e la frequenza viene distorta anche nel circuito (spostamento di frequenza causato dalla sensibilità di sintonizzazione in ppm/pF di un cristallo di quarzo). Utilizzando un oscillatore al silicio a bassissima potenza da 32,768 kHz, non solo è possibile eseguire il clock di più circuiti integrati contemporaneamente, ma non si verificano più problemi di transitori e spostamenti di frequenza. Massima stabilità transitoria in ogni circostanza, a qualsiasi temperatura e in qualsiasi momento.
Enorme risparmio sui costi
Un oscillatore al silicio da 32.768 kHz di PETERMANN-TECHNIK consente di risparmiare due cristalli da 32.768 kHz e la capacità del circuito, riducendo enormemente lo spazio richiesto sulla scheda. Per l'applicazione è quindi sufficiente un circuito stampato significativamente più piccolo e più vantaggioso. Inoltre, anche i costi di sviluppo, assemblaggio, ispezione e collaudo sono notevolmente ridotti. Tenendo conto dei minori costi di approvvigionamento e gestione dei componenti e dei prezzi più vantaggiosi dei componenti, il produttore di dispositivi non risparmia solo elettricità, ma anche denaro.
Una tecnologia più verde per un mondo più intelligente
La progettazione a risparmio energetico inizia dal clock. Gli oscillatori al silicio a bassissimo consumo da 32.768 kHz di PETERMANN-TECHNIK sono un esempio di come i giusti generatori di clock possano aumentare del 50% l'energia di sistema dei dispositivi mobili basati sulla tecnologia di ibernazione. Gli esperti dello specialista di clock PETERMANN-Technik consigliano la scelta dei componenti adatti della gamma di prodotti "Next Generation Clocking" con un supporto tecnico completo, design-in, campionatura rapida e consegna in serie, consentendo di raggiungere un rapido time-to-market.
Ulteriori informazioni sono disponibili all'indirizzo:
OSCILLATORI SMD SPXO 32,768 kHz
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Telefono: 0 81 91 / 30 53 95
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