¿Por qué no resuena mi cristal de 32.768 kHz?

Análisis de la causa raíz y soluciones para el problema más común en el desarrollo de sistemas empotrados

El problema que todo desarrollador conoce

El circuito está completamente montado, el microcontrolador arranca, pero el reloj en tiempo real no funciona. El cristal de 32.768 kHz no oscila. O peor aún: a veces oscila y a veces no. O bien oscila, pero luego se para esporádicamente.

Este problema es uno de los patrones de error más frecuentes y a la vez más frustrantes en el desarrollo embebido. El cristal de reloj de 32.768 kHz es un componente eléctricamente sensible que trabaja en conjunción con un circuito oscilador débil, y esta interacción puede verse alterada por numerosos factores.

Este artículo analiza sistemáticamente las causas más comunes de los problemas de oscilación con cristales de cuarzo de 32.768 kHz y ofrece soluciones prácticas específicas.

El circuito oscilador del microcontrolador debe generar suficiente energía para hacer oscilar el cuarzo. El valor de la resistencia negativa (|-R|) del circuito oscilador debe ser significativamente mayor que la ESR del cristal. Esta relación se conoce como margen de oscilación:

Margen de oscilación = |-R| / ESR

Este factor debe ser al menos 5, preferiblemente 10 o superior. Si es inferior a 3, la oscilación no es segura. En el sector del automóvil, se suele exigir un SF >=10.

A diferencia de los cristales de MHz (ESR típica: 20-60 Ω), los cristales de 32,768 kHz tienen una ESR en el rango de los kiloohmios:

Al mismo tiempo, las etapas osciladoras de 32.768 kHz de los MCU modernos están optimizadas deliberadamente para un consumo de energía mínimo. La resistencia negativa típica de muchos MCU de bajo consumo es de sólo 200-500 kΩ.

La capacitancia de carga es la capacitancia total que el cristal "ve" en sus terminales:

CL = (C1 × C2) / (C1 + C2) + Cstray

Donde C1, C2 son los condensadores de carga externos (si están presentes) y Cstray es la capacitancia parásita (cables de PCB, pines de IC, típicamente 1-5 pF).

• Capacitancia de carga demasiado baja: El cristal no recibe suficiente realimentación de energía → la oscilación puede fallar.
• Capacitancia de carga demasiado alta: La amplitud de oscilación se amortigua, la frecuencia se desplaza hacia abajo y el consumo de energía aumenta.

• Trazas demasiado largas: Cada milímetro añade capacitancia parásita (aprox. 0,5-1 pF/cm).
• Señales digitales en las proximidades: Líneas de reloj o buses SPI se acoplan en interferencias.
• Plano de tierra directamente debajo del cristal: Aumenta la capacitancia parásita en PCB multicapa.
• Vías en la zona del cristal: Actúan como antenas de interferencia.
• Residuos de fundente y humedad: Provocan corrientes de fuga, que aumentan a bajas temperaturas.

Muchos circuitos osciladores MCU requieren una resistencia de realimentación de alta impedancia (Rf ) en paralelo con el cristal (típicamente 5-15 MΩ). Sesga la etapa inversora en su rango de funcionamiento lineal. Algunos MCUs tienen esta resistencia internamente (STM32, nRF52, ESP32), otros la requieren externamente (algunas variantes de MSP430, ciertos MCUs de 8 bits).

El cristal de diapasón de 32.768 kHz está especificado para una potencia de accionamiento máxima de 0,5-1,0 µW. Si se supera, se produce una desviación de la frecuencia, un envejecimiento acelerado y, en casos extremos, la rotura mecánica del resonador.

En la práctica, la sobrecarga se produce si no hay una resistencia en serie (Rd) para la limitación.