Seule une horloge système de 32.768 kHz très précise et à réponse rapide permet une communication de données ou une détermination de position très rapide et économe en énergie après le mode veille. Un oscillateur au silicium de 32.768 kHz permet d'économiser plus de 50 pour cent d'énergie dans une solution fonctionnant sur batterie et basée sur la technologie de veille prolongée. Les spécialistes de PETERMANN-TECHNIK expliquent pourquoi les oscillateurs au silicium de 32,768 kHz prennent place dans les applications de la technologie de veille prolongée fonctionnant sur batterie et quels avantages ils offrent à l'utilisateur.
De nombreux produits finaux utilisent la technologie de veille prolongée, notamment les wearables, les unités de communication Bluetooth basse énergie (BLE) pour le commerce, l'industrie et l'automobile, les applications IoT, le GPS (commerce et automobile), la communication M2M, les trackers personnels et les systèmes médicaux de surveillance des patients, l'IoT, le comptage intelligent, la domotique, le sans fil, etc.
Comment fonctionne la technologie de veille prolongée
La technologie de veille prolongée est principalement utilisée dans les applications de détermination de la position et dans les terminaux qui échangent des données collectées avec un récepteur via Bluetooth Low Energy (BLE). Afin d'augmenter considérablement la durée de vie de la batterie, les zones de circuit particulièrement gourmandes en énergie dans ces appareils, comme les CI pour la transmission des données et la détermination de la position, sont placées en mode de veille économe en énergie chaque fois que cela est possible. Dès que l'utilisateur cherche une nouvelle cible ou veut transmettre des données par Bluetooth à faible consommation d'énergie, les zones éteintes doivent être réveillées en très peu de temps et placées en mode de travail, très gourmand en énergie (image 1).
Un réveil extrêmement court permet d'économiser 50% de l'énergie du système
Pour une communication de données rapide et efficace sur le plan énergétique, l'horloge système de 32,768 kHz doit être extrêmement précise afin que l'application puisse suivre très rapidement le processus représenté sur la figure 1 et être immédiatement remise en mode veille.
Si l'horloge système n'est pas précise, le déroulement du processus consommateur d'énergie représenté à la figure 1 se répète autant de fois que nécessaire jusqu'à ce que les données aient été transmises de l'unité émettrice à l'appareil récepteur, par exemple d'un wearable au smartphone. Ces répétitions augmentent la consommation d'énergie et réduisent ainsi considérablement la durée de vie de la batterie. En outre, la fréquence de référence très précise de 32,768 kHz rend également superflues les synchronisations permanentes des horloges système entre l'émetteur et le récepteur, qui consomment de l'énergie. Le succès commercial de l'unité d'émission dépend en partie d'une très longue durée de fonctionnement autonome. Un appareil de surveillance des patients qui ne permet pas une longue durée d'utilisation en raison de sa forte consommation d'énergie n'est guère accepté. L'utilisateur se demande pourquoi il doit déjà recharger son appareil ou remplacer la batterie et ne recommandera pas le produit en question ou publiera une évaluation négative sur Internet.
Pour les applications GPS, un autre aspect d'une horloge système très précise est avantageux pour l'économie d'énergie : l'extension des périodes de veille prolongée tout en conservant un démarrage rapide de moins d'une seconde.
Différence entre le quartz et l'oscillateur à quartz de 32,768 kHz et l'oscillateur ultra basse puissance de 32,768 kHz
En raison de la coupe du quartz, la stabilité thermique d'un quartz de 32,768 kHz ne peut pas être réduite en modifiant l'angle de coupe, contrairement à un quartz de MHz. Sur la plage de température de -40 °C à +85 °C, la stabilité thermique la plus précise d'un quartz de 32,768 kHz est d'environ -180 ppm (figure 2), alors que celle d'un quartz MHz est de ±15 ppm.
Par exemple, l'oscillateur en silicium de 32 768 kHz de la série ULPPO de PETERMANN-TECHNIK, qui ne mesure que 1,5 x 0,8 mm, présente une stabilité thermique de ±5 ppm sur la plage de température de -40 °C à +85 °C, ce qui est 36 fois plus précis qu'un quartz de 32 768 kHz. En outre, le vieillissement de l'ULPPO est de ±1 ppm après la première année et de ±5 ppm après 10 ans. Le vieillissement d'un quartz de 32.768 kHz est de ±3 ppm après la première année et dépasse largement ±20 ppm après 10 ans. La stabilité de la fréquence d'un quartz de 32,768 kHz à 25 °C, valeur standard ±20 ppm, doit également être prise en compte dans l'évaluation de la précision de l'application. Un quartz de 32,768 kHz ne génère donc qu'une horloge système très imprécise de 32,768 kHz, qui ne permet qu'une communication de données très lente et qui consomme beaucoup d'énergie en raison des répétitions de communication de données décrites.
Des oscillateurs à quartz de 32,768 kHz sont également disponibles sur le marché. Ceux-ci sont plus grands (2,5 x 2,0 mm ou 3,2 x 2,5 mm) et utilisent différentes technologies. Les oscillateurs à quartz les plus courants sont ceux dans lesquels les 32 768 kHz sont générés par division d'une fréquence MHz (2,5 x 2,0 mm). De tels oscillateurs consomment quelques milliampères et sont donc totalement inadaptés aux solutions alimentées par batterie.
D'autres oscillateurs à quartz de 32,768 kHz (3,2 x 2,5 mm) sont directement basés sur un quartz de 32,768 kHz et consomment moins de courant si la précision de la fréquence du quartz n'est pas compensée par le circuit intégré de l'oscillateur. Mais cela rend la fréquence aussi imprécise que celle d'un quartz de 32,768 kHz, alors que cet oscillateur oscille très lentement.
La troisième solution est basée sur un quartz de 32,768 kHz et un CI d'oscillateur qui compense la très grande précision de fréquence du quartz de 32,768 kHz, mais qui démarre très lentement, typiquement 3 secondes, ce qui provoque de nombreuses répétitions consommatrices de courant.
Solution économe en énergie de PETERMANN-TECHNIK
La plupart des solutions Bluetooth à faible consommation d'énergie utilisent deux quartzs de 32 768 kHz (un pour le mode veille du circuit intégré BLE et un pour l'horloge du MCU) ainsi qu'un quartz de MHz comme fréquence de référence pour la puce BLE (image 3). Dans une application wearable typique, un oscillateur au silicium de 32,768 kHz peut cadencer simultanément le mode de veille du BLE et le MCU. Cela permet d'économiser énormément de place sur la carte, car l'ULPPO, avec 1,5 x 0,8 mm, est environ deux fois plus petit que le plus petit quartz de 32.768 kHz, avec 1,6 x 1,2 mm, et 85 pour cent plus petit qu'un oscillateur à quartz de faible puissance, avec 3,2 x 2,5 mm.
Si l'on tient compte de l'encombrement d'un quartz de 32,768 kHz avec ses deux capacités de découplage externes vers la masse, l'ULPPO n'occupe plus que 85 pour cent de l'espace nécessaire à une solution basée sur le quartz. L'ULPPO n'a pas besoin de capacités de découplage, car le CI intégré filtre lui-même la tension d'alimentation.
Consommation de courant extrêmement faible
Les oscillateurs au silicium de 32,768 kHz de PETERMANN-TECHNIK ont déjà, dans leur version standard, une consommation de courant extrêmement faible, inférieure à 1 µA pour une VDD de 1,8 VDC. Pour pouvoir réduire encore la consommation de courant, l'amplitude de sortie de l'oscillateur peut être adaptée aux CI à cadencer. Pour cela, VOH peut être réglé dans la plage de 0,6 à 1,225 V, ou VOL dans la plage de 0,35 à 0,8 V. Un PMIC ou un MCU avec une tension d'alimentation de 1,8 VDC nécessite une amplitude VIH de 1,2 V ou une amplitude VIL de 0,6 V. Cela permet d'adapter de manière optimale les oscillateurs au silicium de 32 768 kHz au MCU et au BLE, tout en économisant du courant : Un autre grand avantage de la technologie d'oscillateur en silicium de nouvelle génération qu'un oscillateur à quartz de 32,768 kHz n'offre pas.
Haute sécurité contre les oscillations
Comme les quartz de 32,768 kHz ont des résistances très élevées, ils ne s'harmonisent pas toujours parfaitement avec les étages d'oscillateur des CI à cadencer. Parfois, le quartz oscille, parfois non. Si c'est le cas, la raison n'est pas toujours claire. Les résistances d'entrée négatives des étages d'oscillateurs des CI à cadencer présentent souvent une grande dispersion, voire même une dispersion capacitive. Selon les mesures effectuées par les spécialistes de PETERMANN-TECHNIK, une dispersion capacitive de plus de 25% n'est pas rare. Cela ne facilite pas le câblage optimal d'un quartz de 32,768 kHz et la fréquence est également déformée dans le circuit (Frequency Shift provoqué par la Tuning Sensitivity en ppm/pF d'un quartz). L'utilisation d'un oscillateur en silicium de 32,768 kHz à très faible puissance permet non seulement de cadencer plusieurs CI en même temps, mais aussi d'éliminer les problèmes d'oscillation et de décalage de fréquence. Une sécurité d'oscillation maximale dans toutes les circonstances, à toute température, à tout moment.
Énormes économies de coûts
Un oscillateur au silicium de 32,768 kHz de PETERMANN-TECHNIK permet d'économiser deux quartzs de 32,768 kHz et les capacités de câblage, ce qui réduit énormément l'espace nécessaire sur la carte. Une carte nettement plus petite et moins chère suffit donc pour l'application. En outre, les coûts de développement, d'assemblage, de contrôle et de test sont considérablement réduits. Si l'on tient compte des coûts réduits d'approvisionnement et de manipulation des composants ainsi que des prix plus avantageux des composants, le fabricant d'appareils économise non seulement de l'électricité, mais aussi de l'argent.
Une technologie plus verte pour un monde plus intelligent
La conception économe en énergie commence par le clocking. Les oscillateurs au silicium à ultra faible puissance de 32 768 kHz de la maison PETERMANN-TECHNIK sont un exemple de la manière dont on peut prolonger de 50 pour cent l'énergie système des appareils mobiles basés sur la technologie d'hibernation en utilisant les bonnes horloges. Les experts du spécialiste de l'horloge PETERMANN-Technik conseillent dans le choix des composants appropriés de la gamme de produits "Next Generation Clocking" avec un support technique complet, un design-in, une livraison rapide d'échantillons et de séries, ce qui permet d'atteindre rapidement le time-to-market.
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OSCILLATEURS SMD SPXO 32.768 kHz
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