Auswahl von Quarzen für SPC5- und STM8-Automotive-MCUs

Mikrocontroller-Einheiten (MCUs) und die dazugehörige Software verbessern die Autos und machen sie intelligenter, sicherer und effizienter. Um effektiv zu sein, benötigen MCUs genaue Taktgeber für die Echtzeitausführung, Kommunikationsprotokolle und die allgemeine Zeitmessung. Trotz der rauen Betriebsumgebung müssen diese Zeitmessungen präzise, zuverlässig und kostengünstig sein. Quarzoszillatoren sind für die Gewährleistung einer genauen Zeitsteuerung und eines stabilen Betriebs in solchen Anwendungen von entscheidender Bedeutung.

Um ein genaues Timing aufrechtzuerhalten, sind Quarze erforderlich, die für diese lebenswichtige Aufgabe unter den ungünstigsten Bedingungen in der Automobilbranche qualifiziert sind, wo es nur wenig Spielraum für Kompromisse gibt. Dennoch beherrschen nur wenige Ingenieure die Feinheiten der Quarzauswahl, was die Wahrscheinlichkeit von Timing-Fehlern während der gesamten Lebensdauer des Produkts erhöht. Das Fehlerrisiko kann durch den Einsatz geeigneter Instrumente, die den Auswahlprozess optimieren und vereinfachen, gemindert werden.

In diesem Artikel werden kurz die Timing-Probleme erörtert, mit denen Entwickler elektronischer Systeme im Automobilbereich konfrontiert sind. Anschließend wird ein Auswahltool von ECS Inc. vorgestellt, einem Anbieter von AEC-Q200-qualifizierten Bauteilen für die Automobilindustrie, und es wird gezeigt, wie es die Auswahl und Implementierung von Quarzen für das MCU-Timing im Automobilbereich erleichtert. Als Beispieltargets werden MCUs der Serien SPC5x und STM8x von STMicroelectronics verwendet.

Quarzoszillatoren

MCUs verwenden eine Zeitbasis, um interne Taktgeber für die Synchronisierung von Operationen, die Erzeugung von internem Timing, die Auslösung von Interrupts und die Implementierung von Funktionen wie Echtzeitbetriebssystemen bereitzustellen. Die Zeitbasis des Taktgebers ist ein präziser Quarzoszillator, der die Genauigkeit und Stabilität über Temperatur und Zeit gewährleistet.

MCUs für den Automobilbereich, wie die SPC5x- und STM8x-Serien von STMicroelectronics, sind mit integrierten Oszillatoren ausgestattet, die einen invertierenden Verstärker und einen Rückkopplungswiderstand enthalten. Der Rückkopplungswiderstand, der zwischen Eingang und Ausgang des Wechselrichters geschaltet ist, sorgt dafür, dass der Wechselrichter als linearer Verstärker arbeitet. Ein Resonanzelement, z. B. ein piezoelektrischer Kristall, und die zugehörige Schaltung sind mit dem internen Wechselrichter verbunden, um den Oszillator zu vervollständigen (Abbildung 1, links).

Abbildung 1: Ein Taktoszillator entsteht, wenn ein externer Quarzresonator und der zugehörige Schaltkreis mit dem internen Inverter und dem Rückkopplungswiderstand der MCU verbunden werden (links); Quarze haben sowohl Serien- als auch Parallelresonanzen (rechts). (Bildquelle: ECS Inc.)

Das Widerstands-Induktivitäts-Kondensator-(RLC)-Ersatzschaltbild des Quarzes besteht aus einer Induktivität (L₁) in Reihe mit einem Kondensator (C₁) und einem Widerstand (R₁). Parallel zu den in Reihe geschalteten Komponenten befindet sich ein Shunt-Kondensator (C₀), der die Eingangs- und Ausgangskapazität des Wechselrichters, des Quarzgehäuses und der zugehörigen Verdrahtung darstellt. Der Serienzweig bestimmt die Serienresonanzfrequenz (F_s) des Quarzes. Der Parallelkondensator schwingt mit dem seriellen Zweig mit, wodurch sich die Parallel- oder Antiresonanzfrequenz (F_a) des Quarzes ergibt. Das Reaktanzdiagramm zeigt beide Resonanzen (Abbildung 1, rechts); die Serienresonanz tritt immer bei einer niedrigeren Frequenz auf als die Parallelresonanz.

Im Allgemeinen wird der Oszillator auf eine Frequenz zwischen der Serien- und der Parallelresonanz eingestellt, wobei die Oszillatorfrequenz durch kapazitives Laden angepasst wird. Die angegebene Frequenz des Quarzes ist mit einer bestimmten Lastkapazität verbunden. Eine Lastkapazität, die größer ist als die spezifizierte Last des Quarzes, senkt die Oszillatorfrequenz, während eine geringere Lastkapazität sie erhöht.

Der Oszillator in Abbildung 1 ist eine Pierce-Oszillator-Konfiguration. Sie besteht aus zwei Zweigen: dem aktiven Zweig, der den internen Wechselrichter der MCU darstellt, und dem passiven Zweig, der aus dem Quarz und den zugehörigen Komponenten besteht. Der Quarz und die Kondensatoren C₁ und C₂ bilden ein frequenzselektives Pi-Netzwerk in der Rückkopplungsschleife des Oszillators. Der Pi-Filter sorgt für eine Phasenverschiebung von 180° bei der gewünschten Oszillatorfrequenz.

Bedingungen für den Start des Oszillators

Der Oszillator ist eine Rückkopplungsschaltung, die eine stabile Schwingung auslöst und aufrechterhält. Die theoretischen Rückkopplungsbedingungen für den Oszillatorstart sind, dass die Schleife eine Verstärkung von eins und eine Phasenverschiebung von null Grad hat. Der Quarz in der Rückkopplungsschleife ist ein passives Element mit entsprechenden Verlusten. Der aktive Zweig muss einen negativen Widerstand liefern, der größer ist als der äquivalente Serienwiderstand (ESR) des Quarzes, damit der Oszillator funktioniert. Die Quarzverluste sind eine Funktion des ESR des Quarzes, der Oszillatorfrequenz und der Shunt- und Lastkapazitäten der Schaltung. Der ESR-Wert eines Quarzes ist in seinem Datenblatt zu finden. Der negative Widerstand des Oszillators sollte mindestens das Fünffache des ESR betragen.

Ein anderer Ansatz für die Startbedingungen des Oszillators ist die Betrachtung seiner Transkonduktanz (g_m), gemessen in Milliampere pro Volt (mA/V). In diesem Fall muss die Verstärkung des Wechselrichters die Verluste der Rückkopplungsschleife übersteigen. Das theoretische Minimum ist eine kritische Schleifenverstärkung von eins, aber das ist keine praktische Grenze. In der Praxis sollte die Verstärkung des Verstärkers zu einer Verstärkungsspanne führen, die das Fünffache der kritischen Verstärkung im ungünstigsten Fall (g_mcrit) beträgt. g_mcrit ist die minimale Transkonduktanz eines Oszillators, die erforderlich ist, um eine stabile Schwingung aufrechtzuerhalten. Die kritische Verstärkung ist eine Funktion des ESR, der Frequenz und der Kapazität, gemäß der Gleichung: g_mcrit = 4 × ESR × (2pF)² × (C₀ + C_L)².

Die Transkonduktanz des Oszillators ist im Datenblatt der MCU zu finden.

Als kritische Verstärkungsfunktion für den ungünstigsten Fall verwendet Gmcrit-Max die gleiche Gleichung, gibt aber die Maximalwerte der einzelnen Quarzparameter aus dem Datenblatt ein. Wenn die Verstärkung des Oszillators mehr als das Fünffache von Gmcrit-Max beträgt, ist ein einwandfreier Betrieb unter allen Bedingungen gewährleistet.

Die Startperformance wird anhand der Fähigkeit des Oszillators bewertet, den Betrieb unter allen zu erwartenden Umgebungsbedingungen konsistent zu starten, sowie anhand seiner Latenzzeit, d. h. der Zeit, die er zum Starten benötigt (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der Oszillator läuft an, wenn mit steigendem V_DD eine Verstärkung von eins erreicht wird. Die Anlaufzeit wird ab dem Zeitpunkt gemessen, an dem V_DD Null Volt verlässt, bis sich der Oszillator bei der Quarzfrequenz stabilisiert. (Bildquelle: ECS Inc.)

Quarz-Betriebspegel

Quarze verbrauchen aufgrund des durch sie fließenden Stroms Energie. Die Betriebsleistung ist das Produkt aus dem Effektivstrom durch den Quarz zum Quadrat und dem ESR. Quarze haben eine bestimmte maximale Ansteuerungsleistung, die normalerweise in Milliwatt (mW) oder Mikrowatt (μW) angegeben wird. Ein Überschreiten des maximalen Treiberpegels kann zu instabilem Betrieb, Betriebsartsprüngen, verkürzter Produktlebensdauer oder sogar zum Ausfall des Quarzes führen. Außerdem kann es sein, dass der Oszillator nicht startet, wenn der Pegel zu niedrig ist.

Der Ansteuerungspegel kann durch einen in Reihe mit dem Quarz geschalteten Widerstand geregelt werden. Der Widerstand R_S in Abbildung 1 ist ein Beispiel; er steuert den Strom durch den Quarz und hält den Betriebspegel innerhalb der Spezifikation.

Betriebsarten des Quarzes

Die Abmessungen des Quarzelements bestimmen seine Grundfrequenz. Je geringer die Dicke des Quarzelements ist, desto höher ist seine Frequenz. Irgendwann ist der Quarz zu dünn und brüchig, um zuverlässig zu funktionieren. Diese Grenzfrequenz liegt bei etwa 50 Megahertz (MHz).

In Quarzoszillatoren, die mit höheren Frequenzen arbeiten, werden Quarze verwendet, die so konstruiert sind, dass sie die ungeraden Harmonischen der Grundfrequenz des Quarzes betonen. Diese harmonischen Schwingungsfrequenzen werden als Obertöne bezeichnet. Obertonquarze werden durch die Obertonzahl bezeichnet, z. B. als dritter, fünfter oder siebter Obertonmodus. Diese Quarze haben eine Struktur, die sich von der der Grundmodenquarze unterscheidet. Obertonoszillatoren können Schaltungselemente wie L-C-Tankschaltungen enthalten, um die Grundfrequenz zu unterdrücken und den Betrieb bei der gewünschten Obertonfrequenz zu gewährleisten.

Frequenztoleranz und Stabilität

Die Frequenztoleranz bezieht sich auf die gemessene Abweichung des Oszillators von seiner Entwurfsfrequenz. Die Toleranz wird in der Regel in Teilen pro Million (ppm) gemessen, normalerweise bei einer Temperatur von +25°C.

Die Frequenzstabilität misst, wie stark sich die Frequenz eines Oszillators im Laufe der Zeit oder innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs ändert. Sie wird ebenfalls in ppm gemessen. Zahlreiche Faktoren können die Kristallstabilität beeinflussen, darunter Temperatur, Betriebsspannung und Alterung, d. h. eine langsame Veränderung der Quarzfrequenz im Laufe der Zeit. Die Alterung wird in ppm pro Jahr gemessen. Eine Übersteuerung des Kristalls kann auch seine Stabilität beeinträchtigen.

Zur Verdeutlichung: Ein ppm bedeutet, dass die Frequenz eines 1-MHz-Quarzes um 1 Hertz (Hz) schwanken kann, was 0,0001% entspricht. So kann beispielsweise ein 8-MHz-Quarz mit einer Toleranz von 30 ppm in der Frequenz um 240 Hz von seiner Nennfrequenz abweichen.

AEC-Q200-Zulassung

Kristalle müssen wie andere passive Bauelemente, die für den Einbau in Elektrofahrzeuge bestimmt sind, so qualifiziert sein, dass sie die strengen Anforderungen dieser Umgebung erfüllen, einschließlich der globalen Norm AEC-Q200 für Stressresistenz. Bauteile gelten als AEC-Q200-qualifiziert, wenn sie eine Reihe strenger Belastungstests bestanden haben, darunter Temperatur- und Temperaturschocktests, Feuchtigkeitsbeständigkeit, Maßtoleranz, Lösungsmittelbeständigkeit, mechanische Schocks, Vibrationen, elektrostatische Entladung, Lötbarkeit und Leiterplattenflexibilität, um nur einige zu nennen.

Tool zur Quarzauswahl

Das für die Automobilelektronik ausgelegte Quarzauswahltool von ECS Inc. bietet eine unkomplizierte Methode zum Finden geeigneter Quarze in Automobilqualität für die Automotive-MCUs SPC5 und STM8 von STMicroelectronics.

Beim Öffnen des Auswahltools erhält der Entwickler eine Liste von SPC5- und STM8-MCUs sowie von ECS-qualifizierten Quarzen für den Automobilbereich und eine Anzeige der Quarzoszillatorparameter (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Startseite des Automotive-Quarzauswahltools zeigt Listen von MCUs und Quarzen. (Bildquelle: ECS Inc.)

Die MCUs von STMicro sind im blauen Bereich aufgelistet. Die Quarze erscheinen im weißen Bereich. Der Prozess beginnt mit der Auswahl einer MCU, z. B. der SPC56AP am Anfang der MCU-Liste (Abbildung 4).

Abbildung 4: Nach der Auswahl der MCU SPC56AP werden die kompatiblen Quarze und die zugehörigen Designparameter angezeigt. (Bildquelle: ECS Inc.)

Wenn die SPC56AP-MCU ausgewählt wird, aktualisiert das Tool die Quarzliste und zeigt nur die mit dieser MCU kompatiblen Quarze sowie die zugehörigen Designparameter an. An dieser Stelle wählt der Entwickler die gewünschten Parameter aus. Nehmen wir zum Beispiel an, dass eine Taktfrequenz von 8 MHz und die höchste Verstärkungsspanne von 23,42 gewünscht sind. Durch diese Auswahl reduziert sich die Quarzauswahl auf ein einziges Teil, den ECS-80-8-30Q-VY-TR-Quarz (Abbildung 5).

Abbildung 5: Durch Auswahl der gewünschten Quarzparameter wird der Quarz ECS-80-8-30Q-VY-TR gefunden. (Bildquelle: ECS Inc.)

Dieser 8-MHz-Quarz ist für den Betrieb mit einer kapazitiven Last von 8 Picofarad (pF) ausgelegt und hat eine Toleranz von 30 ppm. In Verbindung mit dem SPC56AP hat er einen gmcrit von 0,17 mA/V und einen gm von 4 mA/V, was zu einer tatsächlichen Verstärkungsspanne von 23,42 führt. Die ungünstigste Verstärkungsspanne, basierend auf Gmcrit-Max, beträgt fünf.

Ein weiteres Beispiel ist ein STM8AF-Prozessor, der mit einer Taktfrequenz von 24 MHz arbeitet. Durch diese Eingaben ergibt sich der ECS-240-8-33B2Q-CVY-TR3 (Abbildung 6), ein 24-MHz-Quarz, der für den Betrieb mit einer kapazitiven Last von 8 pF und einer Frequenztoleranz von 10 ppm vorgesehen ist.

Abbildung 6: Die Auswahl eines Quarzes für einen STM8AF-Prozessor, der mit 24 MHz arbeitet, ergibt den ECS-240-8-33B2Q-CVY-TR3. (Bildquelle: ECS Inc.)

Alle Quarze in der Auswahlhilfe sind AEC-200-qualifiziert und haben einen Betriebstemperaturbereich von -40 bis 150°C.

Fazit

MCUs für die Automobilindustrie arbeiten in anspruchsvollen Umgebungen und müssen von geeigneten Taktgebern unterstützt werden. Die Auswahl von Quarzen erfordert ein Verständnis der wichtigsten Parameter wie Frequenz, Temperaturbereich, Toleranz, Stabilität, ESR und Transkonduktanz, um ein präzises Timing und Stabilität zu gewährleisten. ECS Inc. bietet ein Tool an, das bei der Auswahl aus dem breiten Angebot an AEC-Q200-qualifizierten Quarzen, die auf die MCUs der Serien STM8x und SPC5x abgestimmt sind, hilft.