Selección del cristal adecuado para aplicaciones LoRaWAN

MHz y cristal de reloj de 32.768 kHz - Guía técnica

El oscilador de cristal es la pieza central de toda aplicación LoRaWAN. La elección correcta determina el alcance, la fiabilidad y la eficiencia energética de su dispositivo final.

Esta guía le muestra lo que es importante a la hora de seleccionar un cristal para LoRaWAN - para el cristal de radio de 26 MHz o 32 MHz en el transceptor y el cristal de reloj de 32.768 kHz para el reloj en tiempo real.

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) utiliza la tecnología de modulación LoRa® de Semtech para transmitir datos a largas distancias (hasta 15 km en campo abierto) con un consumo de energía extremadamente bajo. En comparación con otras tecnologías inalámbricas como Bluetooth, Wi-Fi o Zigbee, LoRaWAN plantea exigencias especialmente elevadas a los componentes generadores de frecuencia:

• Modulación de banda estrecha: LoRa funciona con anchos de banda de 7,8 kHz a 500 kHz. Cuanto más estrecho es el ancho de banda, mayores son las exigencias a la precisión de frecuencia del cristal.
• Factores de dispersión elevados (SF7-SF12): Los factores de dispersión más altos permiten mayores alcances, pero prolongan considerablemente el tiempo de transmisión (tiempo en el aire): con SF12 y BW 125 kHz, el tiempo de símbolo es de aproximadamente 32,8 ms.
• Requisitos reglamentarios: En Europa se aplican estrictas tolerancias de canal según ERC 70-03 (EU868) y en EE.UU. se utiliza el espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS) (US915). Ambos escenarios requieren una referencia de frecuencia precisa.
• Funcionamiento con batería: la mayoría de los dispositivos finales LoRaWAN funcionan durante años con una sola batería. Cada miliamperio cuenta, y el cristal influye directamente en el consumo de energía del circuito oscilador.

¿Qué frecuencia se necesita?

Dependiendo del CI transceptor LoRa utilizado, se necesita un cristal oscilante de 32 MHz o 26 MHz como reloj de referencia. La generación actual de circuitos integrados Semtech (SX126x, LLCC68, LR11xx) funciona a 32 MHz. Algunos chipsets más antiguos o alternativos y ciertos diseños de pasarelas pueden utilizar 26 MHz.

Esta es la decisión clave a la hora de seleccionar los cristales LoRaWAN:

Cristal recomendado para:

• Dispositivos finales típicos de interior/exterior con condiciones de temperatura moderadas.
• Aplicaciones de hasta SF10 con un ancho de banda de 125 kHz
• Diseños sensibles a los costes

TCXO recomendado para:

• Condiciones de temperatura extremas (regiones árticas o desérticas)
• Anchos de banda < 62,5 kHz (Semtech recomienda explícitamente TCXO en este caso)
• Factores de dispersión más altos (SF11/SF12) a 125 kHz en todo el rango de temperaturas
• Seguimiento de activos con GNSS (LR1110/LR1120: TCXO obligatorio para exploración GNSS)
• Diseños de pasarela en los que la precisión de la frecuencia de la estación base determina el rendimiento del sistema
  

Importante: La especificación LoRaWAN de LoRa Alliance® no prescribe TCXO.

La elección depende de la aplicación específica.

1. tolerancia de frecuencia a +25 °C

Recomendada: ±10 ppm máx. para dispositivos finales LoRaWAN.

2. estabilidad de temperatura

Para dispositivos finales LoRaWAN estándar en la gama de temperaturas de -20 °C a +70 °C, es suficiente una estabilidad de temperatura de ±10 ppm máx., o para -40 °C a +85 °C es suficiente una estabilidad de temperatura de ±15 ppm máx. Para rangos de temperatura ampliados de -40°C a +105°C o incluso de -40°C a 125°C, se requiere un cristal con una estabilidad de temperatura estrecha o un TCXO.

3. estabilidad de temperatura

Se recomienda el envejecimiento del cristal después de 10 años con ±10ppm máx.

4. ESR (resistencia serie equivalente) - el parámetro a menudo subestimado el parámetro a menudo subestimado

La ESR (resistencia en serie) del cristal es especialmente relevante para las aplicaciones LoRaWAN:

• Menor ESR = respuesta transitoria más rápida y segura: Para los dispositivos finales que funcionan con batería y que se despiertan periódicamente del modo de reposo, el cristal debe poder oscilar de forma rápida y fiable.
• Menor ESR= menor consumo: la corriente del cristal aumenta con la ESR. Para dispositivos con una vida útil de la pila de 10 años, cada miliamperio se hace notar.
• Requisitos de Semtech: SX1261/62 y LLCC68: máx. 40 Ω. SX1276: hasta 60 Ω admisibles.

Recomendación: utilice cristales oscilantes con valores de ESR muy por debajo de los valores máximos. Nuestros exclusivos cristales resonantes LRT (Low ESR Resonator Technology) ofrecen aquí una ventaja significativa gracias a diseños de resonador con resistencia optimizada y valores de ESR especialmente bajos.

4. capacidad de carga (CL)

Debe adaptarse a la recomendación del CI. Valores habituales para transceptores LoRa: 6 pF, 8 pF, 9 pF, 10 pF o 12 pF, dependiendo del CI y del diseño de referencia. Un desajuste desplaza la frecuencia de funcionamiento y puede violar la tolerancia de frecuencia global. En la mayoría de las aplicaciones, nuestros cristales LoRa se utilizan con una capacitancia de carga de 8 pF.

5. tamaño de la carcasa

¿Por qué una aplicación LoRaWAN necesita un cristal de 32.768 kHz?

Además del cristal de radio MHz, la mayoría de los dispositivos finales LoRaWAN necesitan un cristal de reloj de 32.768 kHz para el reloj en tiempo real (RTC) del microcontrolador:

• Temporizador dereposo: El dispositivo final pasa la mayor parte de su vida en reposo profundo. El RTC despierta al procesador a intervalos definidos.
• Sincronización LoRaWAN de clase B: los dispositivos finales de clase B deben abrir ventanas de recepción (ranuras de ping) al mismo tiempo que la pasarela.
• Marca de tiempo para los datos de los sensores: Muchas aplicaciones IoT requieren marcas de tiempo precisas para los valores medidos registrados.
• Gestión del ciclo de trabajo: en Europa, el ciclo de trabajo limita el tiempo máximo de transmisión por hora. El RTC controla el cumplimiento.

Los nuevos transceptores Semtech LR1110 y LR1120 tienen integrado un oscilador de cristal de baja frecuencia de 32.768 kHz (XOSC), que puede utilizarse directamente para el RTC. Alternativamente, un reloj externo de 32.768 kHz puede ser suministrado por el microcontrolador host a través de DIO11, o un cristal de 32.768 kHz con una capacitancia de carga de 9pF puede ser utilizado.

1 ESR (resistencia serie equivalente)

La ESR también es un parámetro clave para el cuarzo de 32,768 kHz, quizá incluso más crítico que para el cuarzo de MHz. Muchas etapas osciladoras de microcontroladores tienen una resistencia de entrada negativa limitada. Si la ESR es demasiado alta, el cristal no oscilará de forma fiable.

Recomendación: para aplicaciones LoRaWAN, el cristal de 32,768 kHz en una carcasa cerámica de 3,2 x 1,5 mm / 2 patillas con ESR máxima de 50 kΩ es la elección más segura y favorable. Su baja resistencia garantiza un comportamiento transitorio más rápido y seguro.

2. tolerancia de frecuencia

Para la función RTC, una tolerancia de frecuencia de ±20 ppm a +25 °C es suficiente en la mayoría de los casos. Para la sincronización LoRaWAN Clase B, puede ser ventajosa una tolerancia más ajustada de ±10 ppm.

3. capacidad de carga

Valores típicos: 4 pF, 6 pF, 7 pF, 9 pF, 12,5 pF o 18 pF. La capacitancia de carga debe coincidir exactamente con la recomendación del fabricante de la MCU. Los cristales de 32,768 kHz con las capacitancias de carga estándar de 7 pF y 9 pF suelen utilizarse en aplicaciones LoRa WAN. Una fuente frecuente de error en los diseños LoRaWAN es el uso de un cristal de 32.768 kHz con la capacitancia de carga incorrecta, lo que provoca un desplazamiento sistemático de la frecuencia y la deriva del RTC.

MHz (32 MHz / 26 MHz)

1. Compruebe la hoja de datos del CI transceptor: ¿se necesitan 32 MHz o 26 MHz?
2. Si es necesario, utilice nuestro asesoramiento y recomendaciones sobre cristales cualificados
3. Determine la capacitancia de carga según el diseño de referencia del CI (6, 8, 9, 10 ó 12 pF)
4. Compruebe la ESR máxima de la hoja de datos del CI - seleccione un cristal con una ESR significativamente menor
5. Defina el rango de temperatura de la aplicación - Evalúe el TCXO para condiciones extremas
6. Evalúe los requisitos de espacio - 3,2 x 2,5 mm como estándar, 2,0 x 1,6 mm o 1,6 x 1,2 mm si el espacio es reducido
7. Compruebe la seguridad de la oscilación, especialmente en diseños de baja potencia.

Cristal de reloj de 32,768 kHz

1. Consulte la hoja de datos de la MCU para determinar la capacitancia de carga y la ESR recomendada.
2. ESR lo más baja posible - preferir 3,2 x 1,5 mm / 2-pad con 50 kΩ máx.
3. Asegúrese de que la capacitancia de carga es la correcta - un desajuste provoca la deriva del RTC
4. Pruebe el comportamiento transitorio a la tensión de funcionamiento mínima
5. Tenga en cuenta la disposición de la placa de circuito impreso: líneas cortas hacia el circuito integrado, sin líneas largas junto al cristal.

La elección del cristal para aplicaciones LoRaWAN requiere una cuidadosa consideración de la precisión de la frecuencia, la ESR, el tamaño de la carcasa y el coste. Para el cristal de radio MHz, un cristal oscilante de 32 MHz (o 26 MHz, dependiendo del CI) con una ESR baja (≤ 40 Ω) y una tolerancia de frecuencia de ±10 ppm es la elección correcta para la mayoría de los dispositivos finales. Por supuesto, también podemos suministrar TCXO de 32 MHz también se pueden suministrar. Se prefiere la versión más favorable en una carcasa cerámica de 2,0 x 1,6 mm.

Para el RTC, recomendamos un cristal de 32,768 kHz en una carcasa cerámica de 3,2 x 1,5 mm con una ESR máxima de 50 kΩ: el comportamiento transitorio más fiable al precio más bajo.

El factor decisivo para el éxito es trabajar con un especialista en cristales que pueda apoyarle en el proceso de selección y, si es necesario, realizar un análisis del circuito para garantizar la reserva de seguridad de respuesta transitoria óptima para su aplicación LoRaWAN específica.

Configurador de producto Oscilador de cristal MHz 3,2 x 2,5 mm / 4 patillas

Configurador de producto Oscilador de cristal de cuarzo MHz 2,0 x 1,6 mm / 4 almohadillas

Configurador de producto MHz cristal de cuarzo oscilante 1,6 x 1,2 mm / 4 patillas

Configurador de producto Oscilador de cristal de 32 kHz 3,2 x 1,5 mm / 2 patillas

Configurador de producto Oscilador de cristal de 32 kHz 2,0 x 1,2 mm / 2 patillas

Configurador de producto Oscilador de cristal de 32 kHz 1,6 x 1,0 mm / 2 patillas

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