Satisfaga las exigentes necesidades de los consumidores conectados mediante las unidades Crystal de alta resistencia

Los aparatos electrónicos de consumo plantean requisitos muy exigentes a los circuitos de sincronización. Las categorías de equipamiento para actividades al aire libre que están experimentando un rápido crecimiento, como las bicicletas y los patinetes eléctricos, someten a los cristales de sincronización a temperaturas extremas y vibraciones. Por otra parte, la aparición de Thread y Matter está impulsando a que las conexiones inalámbricas mantengan una gran precisión temporal y, al mismo tiempo, consuman menos energía. A su vez, estos circuitos de sincronización deben ser sencillos y rentables, sin dejar de ser lo suficientemente resistentes como para garantizar un funcionamiento fiable a lo largo de una vida útil prolongada, a menudo a pesar de la falta de cuidados o de un manejo descuidado.

En este artículo se describen los exigentes requisitos de sincronización a los que se enfrentan los diseñadores de productos electrónicos de consumo de alto rendimiento. A continuación, se describe cómo seleccionar los cristales de sincronización adecuados, utilizando como ejemplo los dispositivos de Murata.

Las tendencias en electrónica de consumo plantean nuevas exigencias en materia de sincronización

La electrónica de consumo abarca un abanico increíblemente diverso de aplicaciones, pero varias tendencias generales están aumentando las exigencias a las que se ven sometidos los dispositivos de sincronización en todos los ámbitos.

• Los dispositivos son cada vez más inteligentes: los sensores y procesadores sofisticados se están convirtiendo en algo habitual, y cada uno de estos chips necesita un reloj.
• La conectividad es cada vez más diversa: un mismo dispositivo puede incorporar comunicación de campo cercano (NFC), Bluetooth de bajo consumo (BLE), Zigbee, Thread, Wi-Fi o Ethernet, cada una con sus propias especificaciones de sincronización.
• Las condiciones ambientales se están agravando: incluso los productos de uso menos intensivo se enfrentan a los crecientes problemas térmicos que tradicionalmente se dan en categorías como la de los equipos para actividades al aire libre.
• Cada vez son más los dispositivos que funcionan con baterías: los límites de consumo energético de los circuitos de temporización son cada vez más ajustados, pero sigue existiendo la expectativa de que resistan años de uso descuidado o de negligencia por parte del usuario.

El resultado es una necesidad cada vez mayor de dispositivos de sincronización fiables. De hecho, muchos sistemas necesitan varios dispositivos de este tipo. Un sistema de gestión energética doméstica (HEMS), por ejemplo, podría incluir BLE, Zigbee, Ethernet y relojes de CPU (Figura 1).

Figura 1: Los productos HEMS requieren varios relojes para su controlador y sus canales de comunicación. (Fuente de la imagen: Murata)

Los diseñadores pueden hacer frente a estos retos con las unidades de cristal XRCGB de Murata. Estos dispositivos están disponibles en frecuencias que van de los 24 a los 40 megahercios (MHz) y son compatibles tanto con unidades de microcontrolador (MCU) como con chips de comunicaciones. Están diseñados para ofrecer una sincronización estable en un amplio rango de temperaturas, desde -40 °C hasta +125 °C, con una baja deriva a largo plazo, y han superado las pruebas de la norma AEC-Q200 para su uso en aplicaciones de automoción, incluidas condiciones de vibración y golpes intensos.

Todos los miembros de la familia utilizan un encapsulado de cuatro pines de montaje superficial (4-SMD) (Figura 2) de tamaño 2016 (2.0 × 1.6 milímetros (mm)) con una altura de 0.7 mm. Este tamaño es 60% más pequeño que el tamaño 3225 (3.2 mm × 2.5 mm), que se utiliza habitualmente para los cristales de sincronización SMD.

Figura 2: Las unidades de cristal XRCGB utilizan un encapsulado 4-SMD de tamaño 2016. (Fuente de la imagen: Murata)

Las unidades de cristal XRCGB también ofrecen una baja capacitancia de carga y una baja resistencia en serie equivalente (ESR). Su baja capacitancia de carga los hace especialmente adecuados para diseños con limitaciones de potencia.

La construcción general y el diseño de estos dispositivos los hacen adecuados para una amplia gama de aplicaciones exigentes en el ámbito de consumo.

Un engranaje de alta resistencia lleva los cristales al límite

La rápida evolución de las baterías de alta potencia está impulsando el crecimiento en los sectores de los equipos para actividades al aire libre, las herramientas eléctricas y otros dispositivos de gran potencia destinados al consumo. Entre los ejemplos se incluyen las bicicletas y los scooters eléctricos, los cortacéspedes robóticos, las herramientas eléctricas y los drones, todos ellos diseñados para soportar un uso físico repetido y ofrecer años de servicio fiable. Este equipo suele estar expuesto a condiciones extremas: cambios bruscos de temperatura, desde inviernos gélidos hasta veranos calurosos; vibraciones y golpes provocados por terrenos accidentados o por el funcionamiento a alta velocidad; y humedad derivada de la lluvia o la condensación.

Tomemos como ejemplo una bicicleta eléctrica de montaña (eMTB) apta para senderos. Los ciclistas más aventureros pueden salir a montar en bicicleta en un día de calor sofocante, sometiéndola a repetidas aceleraciones que elevan aún más sus temperaturas internas, al tiempo que la someten a un duro trato en terrenos accidentados. Un comprador que haya gastado miles de dólares en una bicicleta eléctrica de montaña (eMTB) espera, con toda razón, que la bicicleta resista este tipo de uso extremo de forma repetida a lo largo de muchos años.

Las unidades de cristal XRCGB, como la XRCGB30M000F3V1BR0, resultan ideales para estas aplicaciones. La salida de 30 MHz de este cristal es una frecuencia de reloj habitual para los controladores de motor y los sistemas en chip (SoC) que se utilizan en estas plataformas. Además, su certificación para el sector de la automoción conforme a la norma AEC-Q200 lo hace adecuado para las condiciones adversas propias de la electrónica de consumo de uso intensivo.

El sólido rendimiento mecánico de las unidades de cristal XRCGB se debe a su diseño con cubierta metálica (figura 3). En comparación con los diseños convencionales de cristales de sincronización, el diseño de Murata ofrece una solución mecánicamente resistente y, al mismo tiempo, rentable.

Figura 3: Las unidades de cristal XRCGB utilizan una placa cerámica y una tapa metálica, a diferencia de los diseños convencionales, que emplean una cavidad cerámica y una placa metálica. (Fuente de la imagen: Murata)

El XRCGB30M000F3V1BR0 presenta una capacitancia de carga de 8 picofarads (pF), un valor estándar para la mayoría de las entradas de oscilador de los SoC de esta clase, por lo que no es necesario realizar modificaciones especiales en el circuito. Además, su ESR de 65 ohmios (Ω) es lo suficientemente baja como para mejorar la fiabilidad en el arranque y reducir el ruido de fase, dos aspectos importantes para un dispositivo que se enciende y apaga con frecuencia, como un controlador de motor que se activa y desactiva bajo carga.

Los dispositivos equipados con cámara necesitan más cristales de sincronización de pequeño tamaño

Los dispositivos equipados con cámara se han convertido en una categoría de gran consumo, con decenas de millones de unidades vendidas cada año. Esta categoría incluye productos centrados en las cámaras, como los videoporteros, así como una variedad de dispositivos a los que ahora se les están incorporando cámaras, como los robots aspiradores. Estos dispositivos necesitan temporizadores para sus sensores de imagen de semiconductores de óxido metálico complementarios (CMOS) y el resto de componentes electrónicos integrados.

Los retos medioambientales son motivo de preocupación para muchos de estos dispositivos. Por ejemplo, un videoportero podría verse expuesto a un gélido invierno del norte o a un abrasador verano en el desierto.

Los modelos alimentados por batería plantean una limitación de potencia: la capacitancia de carga del cristal afecta directamente al consumo de corriente del oscilador, y esos microamperios (µA) cobran importancia a lo largo de años de funcionamiento. Una larga vida útil es fundamental en el mercado de consumo actual. Por lo general, una cámara de timbre se instala y luego se deja sin prestar atención durante años, por lo que el cristal debe mantenerse dentro de los límites de tiempo establecidos sin necesidad de recalibración.

El modelo XRCGB24M000F3V1AR0 ilustra cómo la familia XRCGB puede dar respuesta a estas necesidades. Su salida de 24 MHz se ajusta perfectamente a los requisitos del reloj maestro de la mayoría de los sensores de imagen CMOS más habituales. Esta misma frecuencia también es habitual en la sincronización de procesadores y periféricos, lo que la hace muy práctica para diseños que incorporan cámaras compactas.

La capacitancia de carga de 6 pF reduce el consumo de corriente del circuito oscilador en comparación con la opción de 8 pF, lo que supone una ventaja en cualquier diseño alimentado por batería. Una tolerancia inicial de ±30 partes por millón (ppm) y un valor de envejecimiento de ±10 ppm a lo largo de 15 años proporcionan a los diseñadores un margen de deriva a largo plazo bien definido que garantiza un funcionamiento fiable, mientras que el rango de temperaturas de funcionamiento de la familia, de -40 °C a +125 °C, permite su instalación en cualquier clima.

Las dimensiones del paquete también resultan útiles en el caso de los dispositivos equipados con cámara. El tamaño de la base de 2.0 mm × 1.6 mm se combina con un patrón de contactos compacto de 2.1 mm × 1.7 mm (Figura 4), lo que facilita la colocación del cristal cerca de las patillas del oscilador, al tiempo que permite reservar espacio en la placa para otros componentes.

Figura 4: Las unidades de cristal XRCGB presentan unas dimensiones de 2.0 × 1.6 mm y un patrón de contactos de 2.1 × 1.7 mm. (Fuente de la imagen: Murata)

Matter y Thread requieren una sincronización precisa a largo plazo.

Matter y Thread se han convertido en estándares de referencia para los dispositivos domésticos conectados. Matter es el estándar de la capa de aplicación de la Connectivity Standards Alliance que funciona a través de Thread, BLE o Wi-Fi. Thread es un protocolo de red en malla basado en el Protocolo de Internet (IP) que funciona según la norma IEEE 802.15.4 a 2.4 gigahercios (GHz). En conjunto, constituyen la columna vertebral de una parte cada vez mayor de los dispositivos domésticos inteligentes, entre los que se incluyen termostatos, contadores inteligentes, sistemas de gestión energética y cerraduras inteligentes.

La norma IEEE 802.15.4, en la que se basan Thread y Zigbee, establece un margen de precisión de sincronización de ±40 partes por millón (ppm): sus canales de 2.4 GHz tienen un ancho de 5 MHz, y un dispositivo no puede desviarse tanto de su canal como para quedar fuera de la banda de paso del receptor de sus vecinos de la red en malla. Del mismo modo, el BLE tiene un margen de error total de ±50 ppm. Muchos de estos dispositivos también se enfrentan a problemas térmicos. El termostato se encuentra cerca de los equipos de calefacción y refrigeración, el contador inteligente está instalado en una caja de servicio y el sistema de gestión energética del hogar puede estar situado cerca de los electrodomésticos, por lo que el cristal se ve sometido a temperaturas elevadas que aumentan la deriva de frecuencia.

El modelo XRCGB32M000FBV1BR0 es una solución adecuada. Su salida de 32 MHz es la frecuencia de reloj de referencia necesaria para los SoC de Thread, Zigbee y BLE más utilizados. Ofrece una tolerancia inicial de ±15 ppm y una tolerancia al envejecimiento de ±10 ppm, lo que deja un amplio margen para el presupuesto de BLE o Thread.

En todo el rango de temperaturas, los diseñadores deben tener en cuenta la variación total de frecuencia de la pieza relacionada con la temperatura, que es de ±45 ppm. Sin embargo, a temperaturas inferiores a 100 °C, la variabilidad relacionada con la temperatura es de aproximadamente ±10 ppm (figura 5). De este modo, es posible que la variabilidad total derivada de la tolerancia inicial, el envejecimiento y la temperatura se mantenga dentro de los límites de tiempo establecidos para BLE o Thread en condiciones típicas de interior, sin necesidad de un oscilador de cristal con compensación de temperatura (TCXO).

Figura 5: Se muestra el desplazamiento de frecuencia típico en función de la temperatura para un cristal XRCGB que funciona a una frecuencia nominal de 24 MHz; la curva es específica de la serie XRCGB-F-A y puede variar en otras series. (Fuente de la imagen: Murata)

La capacitancia de carga de 8 pF del XRCGB32M000FBV1BR0 se adapta perfectamente a las familias de SoC utilizadas en estas aplicaciones, por lo que no se requiere ningún circuito oscilador especial. Por último, su bajo valor de ESR (65 Ω) resulta más importante para las aplicaciones de radio que para la sincronización de procesadores, ya que un cristal con un ESR más elevado aumenta el ruido de fase, lo que reduce la sensibilidad del receptor y el margen de enlace en entornos congestionados de 2.4 GHz.

Conclusión

Durabilidad, precisión y sencillez: los dispositivos electrónicos de consumo actuales necesitan circuitos de sincronización que lo hagan todo. Las unidades de cristal XRCGB de Murata ofrecen una solución inmediata, con un diseño resistente capaz de resistir entornos extremos durante años. Para los diseñadores que buscan una solución fiable en un formato compacto, estos cristales pueden servir de base para procesadores, sensores y protocolos de comunicación en una amplia gama de aplicaciones.