Selección de cristales para MCU de automoción SPC5 y STM8

Las unidades de microcontrolador (MCU) y su software asociado siguen mejorando los automóviles, haciéndolos más inteligentes, seguros y eficientes. Para ser eficaces, las MCU necesitan fuentes de temporización precisas para la ejecución en tiempo real, los protocolos de comunicación y la temporización general. A pesar de la dureza del entorno operativo, estas mediciones de tiempo deben ser precisas, fiables y rentables. Los osciladores de cristal son fundamentales para garantizar una temporización precisa y un funcionamiento estable en este tipo de aplicaciones.

Mantener una sincronización precisa requiere cristales cualificados para esta función vital en el peor de los entornos automovilísticos, donde hay poco margen para el compromiso. Aun así, pocos ingenieros dominan las sutilezas de la selección de cristales, lo que aumenta la probabilidad de errores de sincronización a lo largo de la vida útil del producto. El riesgo de error puede mitigarse utilizando herramientas adecuadas que agilicen y simplifiquen el proceso de selección.

Este artículo analiza brevemente los problemas de temporización a los que se enfrentan los diseñadores de sistemas electrónicos de automoción. A continuación, se presenta una herramienta de selección de ECS Inc., proveedor de piezas de automoción con certificación AEC-Q200, y se muestra cómo facilita la selección e implementación de cristales para la temporización de MCU de automoción. Las MCU de las series SPC5x y STM8x de STMicroelectronics se utilizan como objetivos de ejemplo.

Osciladores de cristal

Las MCU utilizan una base de tiempo para proporcionar relojes internos para sincronizar operaciones, generar temporización interna, activar interrupciones e implementar funciones como sistemas operativos en tiempo real. La base de tiempo del reloj es un oscilador de cristal preciso que se utiliza para garantizar la precisión y la estabilidad a lo largo del tiempo y la temperatura.

Las MCU de automoción, como las series SPC5x y STM8x de STMicroelectronics, están diseñadas con osciladores integrados que contienen un amplificador inversor y una resistencia de realimentación. La resistencia de realimentación, conectada entre la entrada y la salida del inversor, lo mantiene funcionando como un amplificador lineal. Para completar el oscilador, se conectan al inversor interno un elemento resonador, como un cristal piezoeléctrico, y los circuitos correspondientes (Figura 1, izquierda).

Figura 1: Un oscilador de reloj se crea cuando un resonador de cristal externo y sus circuitos asociados se conectan al inversor interno de la MCU y a la resistencia de realimentación (izquierda); los cristales tienen resonancias en serie y en paralelo (derecha). (Fuente de la imagen: ECS Inc.)

El modelo de circuito equivalente de resistencia, inductor y capacitor (RLC) del cristal consta de un inductor (_L1) en serie con un capacitor (_C1) y una resistencia (_R1). En paralelo con los componentes en serie hay un capacitor en derivación (C₀), que representa la capacitancia de entrada y salida del inversor, el paquete de cristal y el cableado asociado. La rama en serie determina la frecuencia de resonancia en serie del cristal (F_s). El capacitor paralelo resuena con la rama en serie, dando lugar a la frecuencia paralela o antirresonante del cristal (F_a). El diagrama de reactancia muestra ambas resonancias (Figura 1, derecha); la resonancia en serie se produce siempre a una frecuencia más baja que la resonancia en paralelo.

Generalmente, el oscilador se ajusta a una frecuencia entre las resonancias serie y paralelo, donde la carga capacitiva se utiliza para ajustar la frecuencia del oscilador. La frecuencia especificada del cristal está asociada a una capacitancia de carga precisa. Una capacitancia de carga mayor que la especificada para el cristal disminuirá la frecuencia del oscilador, mientras que una capacitancia de carga menor la aumentará.

El oscilador de la figura 1 es una configuración de oscilador Pierce. Se compone de dos ramas: la rama activa, que es el inversor interno de la MCU, y la rama pasiva que consiste en el cristal y sus componentes asociados. El cristal y los capacitores C₁ y C₂ forman una red pi selectiva en frecuencia en el bucle de realimentación del oscilador. El filtro pi proporciona un desplazamiento de fase de 180° a la frecuencia deseada del oscilador.

Condiciones para la puesta en marcha del oscilador

El oscilador es un circuito de realimentación que inicia y mantiene una oscilación estable. Las condiciones teóricas de realimentación para el arranque del oscilador son que el bucle tenga ganancia unitaria y un desfase de cero grados. El cristal del bucle de realimentación es un elemento pasivo con pérdidas asociadas. La rama activa debe suministrar una resistencia negativa mayor que la resistencia en serie equivalente (ESR) del cristal para que el oscilador funcione. Las pérdidas del cristal dependen de su ESR, de la frecuencia del oscilador y de las capacitancias de carga y derivación del circuito. La ESR de un cristal puede consultarse en su ficha técnica. La resistencia negativa del oscilador debe ser al menos cinco veces la ESR.

Otra aproximación a las condiciones de arranque del oscilador es considerar su transconductancia (g_m), medida en miliamperios por voltio (mA/V). En este caso, la ganancia del inversor debe superar las pérdidas del bucle de realimentación. El mínimo teórico es una ganancia crítica de bucle de uno, pero no es un límite práctico. En la práctica, la ganancia del amplificador debe dar lugar a un margen de ganancia de cinco veces la ganancia crítica en el peor de los casos (g_mcrit). El g_mcrit es la transconductancia mínima de un oscilador necesaria para mantener una oscilación estable. La ganancia crítica es función de la ESR, la frecuencia y la capacitancia, según la ecuación: g_mcrit = 4 × ESR × (2pF)² × (C₀ +C_L)².

La transconductancia del oscilador puede consultarse en la hoja de datos de la MCU.

Como función de ganancia crítica en el peor de los casos, Gmcrit-Max utiliza la misma ecuación, pero introduce los valores máximos de cada parámetro del cristal de la hoja de datos. Tener la ganancia del oscilador superior a cinco veces Gmcrit-Max asegura un funcionamiento correcto en todas las condiciones.

El rendimiento de arranque se evalúa en función de la capacidad del oscilador para iniciar el funcionamiento de forma constante en todas las condiciones ambientales que se espera que encuentre el circuito, así como de su latencia, que es el tiempo que tarda en arrancar (Figura 2).

Figura 2: El oscilador arranca cuando se alcanza la ganancia unitaria al aumentar V_DD. El tiempo de arranque se mide desde que V_DD sale de cero voltios hasta que el oscilador se estabiliza en la frecuencia del cristal. (Fuente de la imagen: ECS Inc.)

Nivel de accionamiento del cristal

Los cristales disipan energía debido a la corriente que circula a través de ellos. El nivel de potencia de accionamiento es el producto de la corriente RMS a través del cristal al cuadrado, por la ESR. Los cristales tienen un nivel de accionamiento máximo especificado, normalmente expresado en milivatios (mW) o microvatios (μW). Superar el nivel máximo de accionamiento puede provocar un funcionamiento inestable, saltos de modo, reducción de la vida útil del producto o incluso el fallo del cristal. Además, si el nivel de accionamiento es demasiado bajo, es posible que el oscilador no arranque.

El nivel de accionamiento puede controlarse colocando una resistencia en serie con el cristal. La resistencia R_S de la Figura 1 es un ejemplo; controla la corriente a través del cristal y mantiene el nivel de accionamiento dentro de las especificaciones.

Modos de funcionamiento del cristal

Las dimensiones del elemento de cristal determinan su frecuencia fundamental. A medida que disminuye el grosor del elemento de cristal, aumenta su frecuencia. Llega un momento en que el cristal es demasiado fino y frágil para funcionar con fiabilidad. Esta frecuencia límite es de unos 50 megahercios (MHz).

Los osciladores de cristal que funcionan a frecuencias más altas utilizan cristales diseñados para acentuar los armónicos impares de la frecuencia fundamental del cristal. Estas frecuencias armónicas se denominan armónicos. Los cristales de sobretono se designan por el número armónico, como modo de sobretono tercero, quinto o séptimo. Estos cristales tienen una estructura que difiere de la de los cristales de modo fundamental. Los diseños de osciladores de sobretono pueden incorporar elementos de circuito, como circuitos tanque L-C, para suprimir la frecuencia fundamental y garantizar el funcionamiento a la frecuencia de sobretono deseada.

Tolerancia y estabilidad de frecuencia

La tolerancia de frecuencia se refiere a la desviación medida del oscilador con respecto a su frecuencia de diseño. La tolerancia suele medirse en partes por millón (ppm), normalmente a una temperatura de +25 °C.

La estabilidad de frecuencia mide cuánto cambia la frecuencia de un oscilador con el tiempo o dentro de un rango de temperatura determinado. También se mide en ppm. Numerosos factores pueden afectar a la estabilidad del cristal, como la temperatura, la tensión de funcionamiento y el envejecimiento, que es una variación lenta de la frecuencia del cristal con el paso del tiempo. El envejecimiento se mide en ppm por año. Sobrecargar el cristal también puede degradar su estabilidad.

Para aclarar, una ppm significa que la frecuencia de un cristal de 1 MHz puede variar en 1 hercio (Hz), lo que equivale a 0.0001%. Por ejemplo, un cristal de 8 MHz con una tolerancia de 30 ppm puede variar en frecuencia 240 Hz con respecto a su frecuencia nominal.

Calificación AEC-Q200

Los cristales, al igual que otros dispositivos pasivos destinados a instalarse en vehículos eléctricos, deben estar cualificados para cumplir los exigentes requisitos impuestos por ese entorno, incluida la norma global AEC-Q200 de resistencia a la tensión. Las piezas se consideran "aptas para AEC-Q200" si han superado el riguroso conjunto de pruebas de temperatura, choque térmico, resistencia a la humedad, tolerancia dimensional, resistencia a disolventes, golpes mecánicos, vibraciones, descargas electrostáticas, soldabilidad y flexión de la placa, entre otras.

Herramienta de selección de cristales

La herramienta de selección de cristales para automóviles de ECS Inc. proporciona un método sencillo para hacer coincidir cristales de grado automotriz con MCU calificadas para automóviles SPC5 y STM8 de STMicroelectronics.

Al abrir la herramienta de selección, el diseñador obtiene una lista de MCU SPC5 y STM8, así como de cristales ECS calificados para automoción, junto con una visualización de los parámetros del oscilador de cristal (Figura 3).

Figura 3: La página de inicio de la herramienta de selección de cristales para automóviles de ECS muestra listas de MCU y cristales. (Fuente de la imagen: ECS Inc.)

Las MCU de STMicro aparecen en la zona azul. Los cristales aparecen en la zona blanca. El proceso comienza con la selección de una MCU, como la SPC56AP que encabeza la lista de MCU (Figura 4).

Figura 4: Tras seleccionar la MCU SPC56AP, se presentan los cristales compatibles y sus parámetros de diseño asociados. (Fuente de la imagen: ECS Inc.)

Cuando se selecciona la MCU SPC56AP, la herramienta actualiza la lista de cristales para mostrar solo los cristales compatibles con esa MCU, junto con sus parámetros de diseño asociados. En este punto, el diseñador selecciona los parámetros deseados. Por ejemplo, supongamos que se desea una frecuencia de reloj de 8 MHz y el mayor margen de ganancia de 23.42. Estas selecciones reducen la selección del cristal a una sola pieza, el cristal ECS-80-8-30Q-VY-TR (Figura 5).

Figura 5: La selección de los parámetros de cristal deseados señala el cristal ECS-80-8-30Q-VY-TR. (Fuente de la imagen: ECS Inc.)

Este cristal de 8 MHz está diseñado para funcionar con una carga capacitiva de 8 picofaradios (pF) y tiene una tolerancia de 30 ppm. Utilizado junto con el SPC56AP, tiene un gmcrit de 0.17 mA/V y un gm de 4 mA/V, lo que da como resultado un margen de ganancia real de 23.42. El margen de ganancia en el peor de los casos, basado en Gmcrit-Max, es de cinco.

Otro ejemplo utiliza un procesador STM8AF que funciona a una frecuencia de reloj de 24 MHz. Esta elección de entradas da como resultado el ECS-240-8-33B2Q-CVY-TR3 (Figura 6), un cristal de 24 MHz destinado a funcionar con una carga capacitiva de 8 pF y una tolerancia de frecuencia de 10 ppm.

Figura 6: Selección de un cristal para un procesador STM8AF que funciona a 24 MHz da como resultado el ECS-240-8-33B2Q-CVY-TR3. (Fuente de la imagen: ECS Inc.)

Todos los cristales de la guía de selección cumplen los requisitos AEC-200 con un rango de temperatura de funcionamiento de -40 a 150 °C.

Conclusión

Las MCU de automoción funcionan en entornos difíciles y deben contar con cristales de reloj adecuados. La selección de cristales de reloj exige conocer los parámetros clave, como la frecuencia, el rango de temperatura, la tolerancia, la estabilidad, la ESR y la transconductancia, para garantizar la precisión de la temporización y la estabilidad. ECS Inc. ofrece una herramienta para ayudar a seleccionar entre la amplia gama de cristales cualificados AEC-Q200 adaptados a las MCU de las series STM8x y SPC5x.