Choisir le bon quartz pour les applications LoRaWAN®.

Quartz radio MHz et quartz horloge 32.768 kHz - Guide technique

Le quartz oscillant est le cœur de toute application LoRaWAN. Le bon choix détermine la portée, la fiabilité et l'efficacité énergétique de votre terminal.

Ce guide vous montre ce qui est important dans le choix du quartz pour LoRaWAN - pour le quartz radio 26 MHz ou 32 MHz sur le transceiver et le quartz horloge 32.768 kHz pour l'horloge temps réel.

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) utilise la technologie de modulation LoRa® de Semtech pour transmettre des données sur de longues distances (jusqu'à 15 km en champ libre) avec une consommation d'énergie extrêmement faible. Par rapport à d'autres technologies radio telles que Bluetooth, Wi-Fi ou Zigbee, LoRaWAN pose des exigences particulièrement élevées aux composants générant la fréquence :

• Modulation à bande étroite : LoRa fonctionne avec des bandes passantes de 7,8 kHz à 500 kHz. Plus la bande passante est étroite, plus la précision de la fréquence du quartz doit être élevée.
• Facteur d'étalement élevé (SF7-SF12) : Des facteurs d'étalement plus élevés permettent des portées plus importantes, mais allongent considérablement le temps d'émission (Time on Air) - à SF12 et BW 125 kHz, le temps de symbole est d'environ 32,8 ms.
• Exigences réglementaires : En Europe (EU868), des tolérances de canal strictes s'appliquent selon la norme ERC 70-03. Aux États-Unis (US915), on utilise le spectre étalé à sauts de fréquence (FHSS). Ces deux scénarios nécessitent une référence de fréquence précise.
• Fonctionnement sur batterie : la plupart des terminaux LoRaWAN fonctionnent pendant des années avec une seule batterie. Chaque milliampère compte - et le quartz a une influence directe sur la consommation de courant du circuit de l'oscillateur.

Quelle est la fréquence nécessaire ?

Selon le CI émetteur-récepteur LoRa utilisé, un quartz oscillant de 32 MHz ou de 26 MHz est nécessaire comme horloge de référence. La génération actuelle de circuits intégrés Semtech (SX126x, LLCC68, LR11xx) fonctionne à 32 MHz. Certains chipsets plus anciens ou alternatifs ainsi que certains designs de passerelles peuvent utiliser 26 MHz.

C'est la décision centrale lors du choix du quartz LoRaWAN :

Quartz oscillant (Crystal) recommandé pour :

• Terminaux typiques d'intérieur/d'extérieur avec des conditions de température modérées.
• Applications jusqu'à SF10 avec une bande passante de 125 kHz
• Conceptions sensibles aux coûts

TCXO recommandé pour :

• Conditions de température extrêmes (régions arctiques ou désertiques)
• Largeurs de bande < 62,5 kHz (Semtech conseille ici explicitement le TCXO)
• Facteur d'étalement le plus élevé (SF11/SF12) à 125 kHz sur toute la plage de température.
• Suivi des actifs avec GNSS (LR1110/LR1120 : TCXO obligatoire pour le balayage GNSS).
• Conceptions de passerelles où la précision de fréquence de la station de base détermine la performance du système
  

Important : la spécification LoRaWAN de la LoRa Alliance® n'impose pas de TCXO.

Le choix dépend de l'application concrète.

1ère tolérance de fréquence à +25 °C

Recommandée : ±10 ppm max. pour les terminaux LoRaWAN.

2. stabilité thermique

Pour les terminaux LoRaWAN standard dans la plage de température de -20°C à +70°C, une stabilité thermique de ±10 ppm max. ou pour -40°C à +85°C, une stabilité thermique de ±15 ppm max. est suffisante. Pour les plages de température étendues de -40°C à +105°C ou même de -40°C à 125°C, il faut un quartz à stabilité thermique étroite ou un TCXO.

3. stabilité de la température

Le vieillissement du quartz après 10 ans est recommandé avec ±10ppm max.

4. l'ESR (Equivalent Series Resistance) - le paramètre souvent sous-estimé

L'ESR (résistance série) du quartz est particulièrement important pour les applications LoRaWAN :

• ESR plus faible = réponse plus rapide et plus sûre : Pour les terminaux alimentés par batterie qui se réveillent périodiquement du mode veille, le quartz doit osciller rapidement et de manière fiable.
• ESR plus faible = consommation électrique plus faible : le courant du quartz augmente avec l'ESR. Pour les appareils dont la durée de vie de la pile est de 10 ans, chaque milliampère se fait sentir.
• Exigences de Semtech : SX1261/62 et LLCC68 : max. 40 Ω. SX1276 : jusqu'à 60 Ω autorisés.

Recommandation : utiliser des quartz oscillants avec des valeurs ESR nettement inférieures aux valeurs maximales. Nos quartz exclusifs Quartzs vibrants LRT (Low ESR Resonator Technology) offrent ici un avantage significatif grâce à des designs de résonateurs optimisés en termes de résistance et présentant des valeurs ESR particulièrement basses.

4. capacité de charge (Load Capacitance, CL)

Doit être adaptée à la recommandation du CI. Valeurs courantes pour les émetteurs-récepteurs LoRa : 6 pF, 8 pF, 9 pF, 10 pF ou 12 pF - selon le CI et le design de référence. Une mauvaise adaptation décale la fréquence de fonctionnement et peut violer la tolérance de fréquence totale. Dans la plupart des applications, nos quartz LoRa sont utilisés avec une capacité de charge de 8pF.

5. taille du boîtier

Pourquoi une application LoRaWAN a-t-elle besoin d'un quartz de 32.768 kHz ?

Outre le quartz radio MHz, la plupart des terminaux LoRaWAN ont besoin d'un quartz d'horloge 32,768 kHz pour l'horloge temps réel (Real Time Clock, RTC) du microcontrôleur :

• Minuterie de sommeil : le terminal passe la majeure partie de sa durée de vie en état de sommeil profond. Le RTC réveille le processeur à des intervalles définis.
• Synchronisation LoRaWAN classe B : les terminaux de classe B doivent ouvrir des fenêtres de réception (slots ping) de manière synchronisée avec la passerelle.
• Horodatage des données des capteurs : De nombreuses applications IoT exigent un horodatage précis des valeurs de mesure saisies.
• Gestion du duty cycle : en Europe, le duty cycle limite le temps d'émission maximal par heure. Le RTC en contrôle le respect.

Les nouveaux émetteurs-récepteurs Semtech LR1110 et LR1120 disposent d'un oscillateur à cristal basse fréquence (XOSC) intégré de 32,768 kHz qui peut être utilisé directement pour l'horloge temps réel (RTC). Alternativement, une horloge externe de 32.768 kHz peut être fournie par le microcontrôleur hôte via DIO11, ou un quartz de 32.768 kHz avec la capacité de charge de 9pF peut être utilisé.

1. ESR (Equivalent Series Resistance)

L'ESR est également un paramètre clé pour le quartz de 32,768 kHz - peut-être même plus critique que pour le quartz de MHz. De nombreux étages d'oscillateurs de microcontrôleurs ont une résistance d'entrée négative limitée. Si l'ESR est trop élevé, le quartz n'oscille pas de manière fiable.

Recommandation : pour les applications LoRaWAN, le quartz de 32,768 kHz dans un boîtier céramique de 3,2 x 1,5 mm / 2 pads avec un ESR maximal de 50 kΩ est le choix le plus sûr et en même temps le plus avantageux. Sa faible résistance assure une réponse transitoire plus rapide et plus sûre.

2. tolérance de fréquence

Pour la fonction RTC, une tolérance de fréquence de ±20 ppm à +25 °C est suffisante dans la plupart des cas. Pour la synchronisation LoRaWAN de classe B, une tolérance plus étroite de ±10 ppm peut être avantageuse.

3. capacité de charge

Valeurs typiques : 4 pF, 6 pF, 7 pF, 9 pF, 12,5 pF ou 18 pF. La capacité de charge doit correspondre exactement à la recommandation du fabricant du MCU. La plupart du temps, les quartz de 32,768 kHz sont utilisés avec les capacités de charge standard de 7 pF et 9 pF dans les applications LoRa-WAN. Une source d'erreur fréquente dans les conceptions LoRaWAN est l'utilisation d'un quartz de 32,768 kHz avec une capacité de charge incorrecte, ce qui entraîne un décalage systématique de la fréquence et une dérive de l'horloge temps réel.

Quartz radio MHz (32 MHz / 26 MHz)

1. Vérifier la fiche technique du CI de l'émetteur-récepteur - 32 MHz ou 26 MHz sont-ils exigés ?
2. Le cas échéant, utiliser nos conseils et recommandations qualifiés en matière de quartz.
3. Déterminer la capacité de charge selon le design de référence du CI (6, 8, 9, 10 ou 12 pF).
4. Vérifier l'ESR maximal de la fiche technique du CI - Choisir un quartz avec un ESR nettement plus faible
5. Définir la plage de température de l'application - évaluer le TCXO en cas de conditions extrêmes
6. Évaluer l'encombrement - 3.2 x 2.5 mm en standard, 2.0 x 1.6 mm ou 1.6 x 1.2 mm si l'espace est limité
7. Faire vérifier la résistance aux vibrations - en particulier pour les designs à faible puissance

Quartz d'horloge 32.768 kHz

1. Vérifier la fiche technique du MCU - déterminer la capacité de charge et l'ESR recommandé.
2. ESR le plus bas possible - préférer 3.2 x 1.5 mm / 2-Pad avec 50 kΩ max.
3. Assurer une capacité de charge correcte - une mauvaise adaptation entraîne une dérive de l'horloge temps réel.
4. Tester le comportement transitoire à une tension de service minimale
5. Respecter la disposition du PCB - lignes courtes vers le CI, pas de longues traces à côté du quartz

Le choix du quartz pour les applications LoRaWAN nécessite un examen minutieux de la précision de la fréquence, de l'ESR, de la taille du boîtier et du coût. Pour le quartz radio MHz, un quartz oscillant de 32 MHz (ou 26 MHz, selon le CI) avec une faible ESR (≤ 40 Ω) et une tolérance de fréquence de ±10 ppm est le bon choix pour la plupart des terminaux. Bien entendu, nous pouvons également TCXO de 32 MHz peuvent être livrés. La version la moins chère dans un boîtier céramique de 2,0 x 1,6 mm est préférée.

Pour l'horloge temps réel (RTC ), nous recommandons un quartz de 32,768 kHz dans un boîtier céramique de 3,2 x 1,5 mm avec une ESR maximale de 50 kΩ - la réponse la plus sûre au prix le plus avantageux.

Le facteur de réussite décisif est la collaboration avec un spécialiste en quartz qui vous aide à faire votre choix et qui peut, si nécessaire, effectuer une analyse du circuit afin de garantir la réserve de sécurité transitoire optimale pour votre application LoRaWAN concrète.

Configurateur de produits Quartz oscillant MHz 3.2 x 2.5 mm / 4 pads

Configurateur de produit Quartz oscillant MHz 2.0 x 1.6 mm / 4-Pad

Configurateur de produits Quartz oscillant MHz 1.6 x 1.2 mm / 4pad

Configurateur de produit Quartz oscillant 32kHz 3.2 x 1.5 mm / 2-Pad

Configurateur de produit Quartz oscillant 32kHz 2.0 x 1.2 mm / 2-Pad

Configurateur de produit quartz oscillant 32kHz 1.6 x 1.0 mm / 2 pads

Recherche de designs de référence

Veuillez me rappeler (avec prise de rendez-vous)

Contact par e-mail

Demander un conseil technique