Oszillatoren Wie Low-Power-Oszillatoren die Batterielebensdauer verlängern

Anbieter zum Thema

PETERMANN-TECHNIK GmbH

Jauch Quartz GmbH

ET System electronic GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Ohne Taktgeber geht in modernen Geräten nichts mehr. Aber Oszillatoren brauchen Strom, und der sollte in batteriebetriebenen Systemen möglichst niedrig sein. Hier erfahren Sie, wie das geht.

In einer batteriebetriebenen Applikation werden normalerweise ein oder mehrere frequenzerzeugende Bauteile verwendet. Ein Quarz selber verbraucht keine Leistung. Aber die Oszillatorstufe der zu taktenden ICs verbrennt sehr viel Energie! Durch die richtige Wahl des Oszillators kann sehr viel Strom in einer batteriebetriebenen Applikation eingespart und dadurch die Batterielebensdauer deutlich verlängert werden. Die Spezialisten der Petermann-Technik erklären wie das funktioniert.

Sehr kleiner und sehr sparsamer Oszillator

Mit den Maßen 1,5 mm x 0,8 mm benötigt der Ultra-Low-Power-Micro-Oszillator der Serie ULPO gerade mal 1,2 mm² Platinenfläche und ist damit 85% kleiner als ein Oszillator oder Quarz mit 3,2 mm x 2,5 mm. Bei der Berechnung des Platzbedarfs eines Quarzes auf der Platine sind die Flächen der externen Beschaltungskapazitäten zu berücksichtigen bzw. die Leitungslänge vom Quarz zum IC.

Bei der Frequenz von 2,048 MHz beträgt der Stromverbrauch des ULPO nur 50 µA mit der Versorgungsspannung von 1,8 V_DC. Damit hat der ULPO einen 30-fach geringeren Stromverbrauch als ein 1,8-V-TCXO mit Clipped-Sine-Wave-Ausgangssignal bzw. sogar einen 200-fach geringeren Stromverbrauch als ein normaler Clock-Oszillator (CMOS/TTL-kompatibel) mit 2,048 MHz. Der ULPO ist im Frequenzbereich von 1 bis 26 MHz und im Temperaturbereich von –40 bis 85 °C lieferbar und verfügt über einen Stand-by-Pin, sodass er bedarfsgerecht ein- und ausgeschaltet werden kann.

Die Batterielebensdauer verlängert sich enorm

Ein Quarz selber verbraucht keine Leistung – soweit die allgemein bekannte Theorie. Damit der Quarz aber in der Schaltung ständig schwingt, muss die Oszillatorstufe vom MUC oder dem SoC sehr viel Energie aufbringen. Darüber hinaus sind beim Energieverbrauch einer Schaltung viele stromverbrauchsbeeinflussende Kapazitäten zu berücksichtigen. Einerseits die Kapazitäten der Oszillatorstufe (XIN/XOUT) selber, die Shunt Capacitance (C0) vom Quarz, die je nach Version mit 3 bis 7 pF max. spezifiziert wird, die externen Beschaltungskapazitäten für den Quarz und schlussendlich auch PCB- und Streukapazitäten.

Verbindet man nun den Clock-Out Pin des ULPO direkt mit dem XIN Pin des MCU oder des SoC, wird die sehr viel Energie verbrauchende interne On-Chip-XTAL-Oszillatorstufe umgangen und dadurch eine hohe Nettoenergieeinsparung auf Systemebene erzielt (Bild).

Der ULPO kann mehrere Lasten gleichzeitig treiben

Anders als wie mit einem Quarz, können mit dem ULPO gleichzeitig mehrere ICs getaktet oder höhere Lasten getrieben werden. Zum Beispiel ein MCU und ein DAC. Werden mehrere ICs gleichzeitig getaktet oder höhere Lasten getrieben, so steigt der Stromverbrauch des ULPOs trotzdem nur sehr geringfügig an. Verwendet man aber für jeden zu taktenden IC einen eigenen Quarz, so ist der Stromverbrauch (On-Chip-XTAL-Oszillatorstufen jedes ICs) auf der Systemebene deutlich höher als wie wenn nur ein ULPO verwendet werden muss.

Eine kleinere Platine spart Kosten

Aufgrund der extrem geringen Gehäusegröße und der Möglichkeit mehrere ICs gleichzeitig zu takten, können durch die Verwendung des ULPO einfachere, deutlich kleinere, kostengünstigere und weniger Strom verbrauchende Platinen entwickelt werden. Damit wird die Platine grundsätzlich kleiner und günstiger. Ein Quarz benötigt mindestens zwei externe Beschaltungskapazitäten gegen GND. Auch wenn man einen sehr kleinen Quarz verwendet, benötigt der Quarz mit den beiden externen Beschaltungskapazitäten immer noch deutlich mehr Platz auf der PCB als ein ULPO. Werden zwei Quarze verwendet, dann ist die Platzeinsparung durch den ULPO noch prägnanter.

ULPOs kennen keine Anschwingprobleme

Kleine SMD-Quarze haben technologiebedingt hohe Widerstände. Sind die negativen Eingangswiderstände der Oszillatorstufen der zu taktenden ICs zu klein oder streuen zu stark, kann es zu Anschwingproblemen und einem unsicheren Betrieb der Applikation im Feld kommen. Zu erwähnen bleibt auch die XIN/XOUT-Belastung, die sehr stark streut und die Amplitude vom Quarz überlasten kann. Durch die Verwendung eines ULPOs starten die ICs immer optimal und ein absolut sicherer Betrieb der Applikation ist unter allen Umständen gewährleistet.

Ideal für batteriebetriebene Applikationen

Die Kombination von extrem niedrigem Stromverbrauch in einem ultrakompaktem Gehäuse mit der Möglichkeit höhere Lasten zu treiben zu können, macht diesen auf CMOS-Technologie basierenden Oszillator ideal für die Verwendung in batteriebetriebenen Applikationen wie Wearables, GPS, Smartphones, Tablets, Health- und Wellness-Monitoren, Sport-Video-Kameras, loT, Smart Metering, Smart Housing, Industrial Applications, Consumer und Embedded Computing Applikationen. Um dem Kunden eine äußerst kurze Time-to-Market bieten zu können, sind Muster und Serienmengen schnell verfügbar. Wer auf die ULPO-Technologie setzen möchte, kann sich von den Clocking-Spezialisten der Petermann-Technik beraten lassen.

Taktgeber

Wie SMD-Silizium-Clock-Oszillatoren die EMV verbessern

Taktgeber

Sechs Gründe, warum Sie auf Silizium-MEMS als Zeitreferenz setzen sollten

Quarzoszillatoren

So einfach lassen sich äußerst genaue Echtzeit-Timer realisieren

* Roland Petermann ist Geschäftsführer der Petermann-Technik GmbH.

(ID:44201689)