挑選適合 SPC5 和 STM8 車用 MCU 的晶體

微控制器單元 (MCU) 及其相關軟體不斷為汽車帶來增強，因此更智慧、安全且更有效率。為了發揮效用，MCU 需要準確的時序來源以達到即時執行、通訊協定和一般計時。儘管工作環境惡劣，這些時間測量都要精確、可靠且符合成本效益。晶體振盪器是在這類應用中確保準確計時和穩定運作的關鍵要素。

要維持準確的計時，就需要可在最嚴峻的汽車環境中肩負此關鍵任務的晶體，因為此環境幾乎沒有妥協的餘地。但僅有少數工程師可掌握晶體挑選的微妙之處，也因此產品整個生命週期內出現時序錯誤的可能性也隨之增加。使用適當的工具就可讓挑選過程更順利且簡化，進而降低錯誤的風險。

本文將概述汽車電子系統設計人員面臨的時序問題。接著會介紹來自 ECS Inc. 的選購工具，其專門提供符合 AEC-Q200 標準的汽車零件，接著會說明此工具如何協助挑選與實作車用 MCU 時序晶體。將以 STMicroelectronics 的 SPC5x 和 STM8x 系列 MCU 當作範例說明。

晶體振盪器

MCU 會使用時基來提供內部時鐘，以便用於同步作業、產生內部時序、觸發中斷，以及實作即時作系統等功能。時鐘時基是一種精確的晶體振盪器，可在溫度和時間變化下確保精度和穩定性。

車用 MCU，如 STMicroelectronics 的 SPC5x 和 STM8x 系列，在設計上就內建振盪器，且其中含有逆變放大器和回授電阻。回授電阻會連接逆變器的輸入和輸出，因此可當作線性放大器運作。諧振元件 (如壓電晶體及其相關電路) 會連接到內部逆變器，以構成振盪器 (圖 1 左)。

圖 1：當外部晶體諧振器及其相關電路連接到 MCU 的內部逆變器和回授電阻時，就會構成時鐘振盪器 (左)；晶體具有串聯和並聯共振 (右)。(圖片來源：ECS Inc.)

晶體的電阻、電感和電容 (RLC) 等效電路模型，由一個電感 (L₁) 與一個電容 (C₁) 和一個電阻 (R₁) 串聯組成。與串聯元件並聯的則有分流電容 (C₀)，其代表逆變器、晶體封裝和相關佈線的輸入和輸出電容量。串聯分支會決定晶體的串聯諧振頻率 (F_s)。並聯電容會跟著串聯分支共振，產生晶體的並聯或反共振頻率 (F_a)。電抗圖可指出兩種諧振 (圖 1 右)；串聯諧振總是以低於並聯諧振的頻率發生。

通常來說，振盪器會將頻率設定在串聯和並聯諧振之間，並使用電容性負載來調整振盪器頻率。晶體的指定頻率與精確的負載電容量相關。若負載電容量大於晶體的指定負載，振盪器的頻率就會降低，反之，負載電容較低，頻率就會增加。

圖 1 中的振盪器屬於 Pierce 振盪器配置。由兩個分支組成：主動分支，即 MCU 的內部逆變器，以及由晶體及其相關元件組成的被動分支。晶體和電容 C₁ 和 C₂ 可在振盪器的回授迴路中形成一個頻率選擇性 pi 網路。pi 濾波器可在想要的振盪器頻率上提供 180° 相移。

振盪器啟動條件

振盪器是啟動和維持穩定振盪的回授電路。理論上，振盪器啟動的回授條件是迴路具有單位增益和零度的相移。回授迴路中的晶體是具有相關損耗的被動元件。主動分支必須提供大於晶體等效串聯電阻 (ESR) 的負電阻，以便振盪器運作。晶體的損耗是晶體 ESR、振盪器頻率，以及電路的分流和負載電容量的函數。晶體的 ESR 可在規格書中找到。振盪器的負電阻至少要是 ESR 的五倍。

達到振盪器啟動條件的另一種作法則是考量其跨導 (g_m)，能以每伏特毫安培 (mA/V) 為單位進行測量。在此情況下，逆變器的增益必須超過回授迴路的損耗。理論上的最小值是迴路臨界增益為 1，但這此限值並不實際。在實務上，放大器的增益所產生的增益容限，應該是最壞情況下臨界增益 (g_mcrit) 的五倍。g_mcrit 是讓振盪器維持穩定振盪所需的最小跨導。臨界增益是 ESR、頻率和電容的函數，如以下公式所示：g_mcrit = 4 × ESR × (2pF)² × (C₀ + C_L)²。

振盪器的跨導可以在 MCU 的規格書中找到。

作為最壞情況下的臨界增益函數，Gmcrit-Max 使用相同的公式，但會輸入規格書中每個晶體參數的最大值。若振盪器的增益大於 Gmcrit-Max 的五倍，就可確保在所有條件下正常運作。

啟動效能會依據振盪器在電路預期遇到的所有環境條件下是否可啟動一致的運作來進行評估，也會將延遲納入考量，即啟動所需的時間 (圖 2)。

圖 2：當 V_DD 增加而達到單位增益時，振盪器就會啟動。啟動時間是從 V_DD 脫離零伏特時開始測量，直到振盪器穩定在晶體頻率上。(圖片來源：ECS Inc.)

晶體驅動位準

由於電流會流過晶體，因此晶體會耗散功率。驅動功率位準是流通晶體的 RMS 電流的平方再乘以 ESR 的乘積。晶體具有指定的最大驅動位準，通常以毫瓦 (mW) 或微瓦 (μW) 表示。超過最大驅動位準會導致運作不穩定、模式跳動、產品壽命縮短，甚至晶體故障。此外，如果驅動位準太低，振盪器可能無法啟動。

若要控制驅動位準，將電阻與晶體串聯即可。圖 1 中的電阻 R_S 就是一個例子；其可控制流通晶體的電流，並將驅動位準保持在規格範圍內。

晶體的運作模式

晶體元件的尺寸會決定其基頻。隨著晶體元件的厚度縮小，頻率會跟著增加。晶體若過薄到某種程度，就會變脆弱而無法可靠運作。此限制頻率約為 50 MHz。

以較高頻率運作的晶體振盪器，會採用專門強調晶體基頻之奇次諧波的晶體。這些諧波模式頻率稱為泛音。泛音晶體會以諧波數來區分，例如第三、第五或第七泛音模式。這些晶體的結構與基本模式晶體不同。泛音振盪器的設計可以納入電路元件，例如 L-C 諧振電路，以抑制基頻，並確保在想要的泛音頻率上運作。

頻率容差和穩定性

頻率容差是指振盪器與其設計頻率之間測得的偏差。容差通常會在 +25°C 溫度下，以百萬分之一 (ppm) 為單位進行測量。

頻率穩定性可衡量振盪器的頻率隨時間或在指定溫度範圍內的變化程度。也會以 ppm 為單位進行測量。有許多因素會影響晶體的穩定性，包括溫度、工作電壓和老化，但老化對晶體頻率隨時間的變化較為緩慢。老化現象會每年以 ppm 為單位進行測量。晶體的過度驅動也會降低穩定性。

為了清楚說明，1 ppm 是指 1 MHz 晶體的頻率可能會偏差 1 Hz，相當於 0.0001%。例如，容差為 30 ppm 的 8 MHz 晶體，頻率可能與其標稱頻率相差 240 Hz。

AEC-Q200 認證

晶體就像其他預計要安裝在電動車中的被動裝置一樣，必須符合該環境所規定的確切要求，包括 AEC-Q200 全球抗應力標準。如果零件通過了一系列嚴格的應力測試，包括溫度、熱衝擊、防潮性、尺寸公差、溶劑抗性、機械衝擊、振動、靜電放電、可焊性和電路板彎曲性等，則可視為符合 AEC-Q200 標準。

晶體選購工具

ECS Inc. 的車用晶體選購工具能以直覺的方式，挑選適合搭配 STMicroelectronics 之 SPC5 和 STM8 汽車級 MCU 的汽車級晶體。

打開選購工具，設計人員就可看到 SPC5 和 STM8 MCU 列表，以及 ECS 的汽車級晶體，還會顯示晶體振盪器的參數 (圖 3)。

圖 3：車用晶體選購工具的首頁會列出 MCU 和晶體。(圖片來源：ECS Inc.)

STMicroelectronics 的 MCU 會列在藍色區域。晶體則在白色區域。挑選流程會先從 MCU 的選擇開始，例如 MCU 清單頂端的 SPC56AP (圖 4)。

圖 4：選擇 SPC56AP MCU 後，就會出現相容的晶體及其相關設計參數。(圖片來源：ECS Inc.)

選擇 SPC56AP MCU 後，此工具就會更新晶體清單，僅顯示出與該 MCU 相容的晶體及其相關的設計參數。此時，設計人員就可選擇所需的參數。舉例而言，若需要 8 MHz 的時脈頻率和 23.42 的最高增益容限。選定上述需求後，晶體的選擇就會縮減至一款零件，即 ECS-80-8-30Q-VY-TR 晶體(圖 5)。

圖 5：挑選需要的晶體參數後，就會出現 ECS-80-8-30Q-VY-TR 晶體。(圖片來源：ECS Inc.)

這款 8 MHz 晶體可在 8 pF 電容性負載下運作，容差為 30 ppm。搭配 SPC56AP 使用下，gmcrit 為 0.17 mA/V，gm 為 4 mA/V，可達到的實際增益容限為 23.42。基於 Gmcrit-Max 的最壞情況增益容限為 5。

另一個範例則是 STM8AF 處理器，其工作時脈頻率為 24 MHz。輸入上述條件後，會出現 ECS-240-8-33B2Q-CVY-TR3 (圖 6)，這是一款 24 MHz 晶體，預計在 8 pF 電容性負載下運作，具有 10 ppm 的頻率容差。

圖 6：挑選適合 STM8AF 處理器的晶體，其工作頻率為 24 MHz，可得到 ECS-240-8-33B2Q-CVY-TR3。(圖片來源：ECS Inc.)

選購指南中的所有晶體均符合 AEC-200 標準，工作溫度範圍為 -40 至 150°C。

結論

車用 MCU 會在嚴峻環境中運作，因此需要適當的時脈晶體提供支援。要挑選時脈晶體，必須瞭解關鍵參數，包括頻率、溫度範圍、容差、穩定性、ESR 和跨導，以確保精確的時序和穩定性。ECS Inc. 有提供工具，可協助在多種符合 AEC-Q200 標準的晶體中進行挑選，以配合 STM8x 與 SPC5x 系列 MCU。。