El ahorro de energía y una comunicación de datos o posicionamiento muy rápidos tras el modo de hibernación sólo son posibles con un reloj de sistema de 32.768 kHz de alta precisión y rapidez. Con un oscilador de silicio de 32.768 kHz, una solución a pilas basada en la tecnología de hibernación puede ahorrar más del 50 por ciento de energía. Los especialistas de PETERMANN-TECHNIK explican por qué los osciladores de silicio de 32.768 kHz se están imponiendo en las aplicaciones de tecnología de hibernación alimentadas por batería y qué ventajas ofrecen al usuario.
Muchos productos finales utilizan la tecnología de hibernación, como wearables, unidades de comunicación Bluetooth Low Energy (BLE) para aplicaciones comerciales, industriales y de automoción, aplicaciones IoT, GPS (comercial y de automoción), comunicación M2M, rastreadores personales y sistemas de monitorización de pacientes médicos, IoT, medición inteligente, domótica, inalámbrica, etc.
Cómo funciona la tecnología de hibernación
La tecnología de hibernación se utiliza principalmente en aplicaciones de posicionamiento y en dispositivos finales que intercambian datos recogidos con un receptor a través de Bluetooth Low Energy (BLE). Para aumentar significativamente la duración de la batería, los circuitos de estos dispositivos que consumen mucha energía, como los circuitos integrados para la transmisión de datos y el posicionamiento, se ponen en modo de reposo para ahorrar energía siempre que es posible. En cuanto el usuario busca un nuevo objetivo o desea transmitir datos a través de Bluetooth Low Energy, las zonas desconectadas deben despertarse en muy poco tiempo y pasar al modo de trabajo de alto consumo energético (Fig. 1).
La activación extremadamente breve ahorra un 50% de energía del sistema
Para que la comunicación de datos sea rápida y eficiente desde el punto de vista energético, el reloj del sistema de 32.768 kHz debe ser muy preciso para que la aplicación pueda ejecutar el proceso que se muestra en la Fig. 1 muy rápidamente y volver al modo de reposo inmediatamente.
Si el reloj del sistema es impreciso, la secuencia de procesos que consume energía mostrada en la Figura 1 se repite hasta que los datos se han transferido desde la unidad transmisora al dispositivo receptor, por ejemplo, desde un wearable a un smartphone. Las repeticiones aumentan el consumo de energía y, por tanto, reducen considerablemente la duración de la batería. Además, la frecuencia de referencia de 32.768 kHz de alta precisión también elimina la necesidad de sincronizar constantemente los relojes del sistema entre el transmisor y el receptor, lo que consume mucha energía. Un tiempo de funcionamiento autónomo muy largo es un factor decisivo para el éxito de mercado de la unidad transmisora. Un dispositivo de monitorización de pacientes que no permita un largo periodo de uso debido a su elevado consumo de energía difícilmente será aceptado. Los usuarios se preguntarán por qué tienen que recargar el dispositivo o sustituir la batería y no recomendarán el producto ni publicarán una crítica negativa en Internet.
En las aplicaciones GPS, otro aspecto de un reloj de sistema muy preciso es ventajoso para ahorrar energía: la ampliación de los periodos de hibernación manteniendo el arranque rápido de menos de un segundo.
Diferencia entre cristal de 32,768 kHz y oscilador de cristal y oscilador de potencia ultrabaja de 32,768 kHz
Debido al corte del cuarzo, la estabilidad de temperatura de un cristal de cuarzo de 32.768 kHz -a diferencia de un cristal de cuarzo de MHz- no puede restringirse cambiando el ángulo de corte. En el rango de temperaturas de -40 °C a +85 °C, la estabilidad de temperatura más precisa de un cristal de 32.768 kHz es de aproximadamente -180 ppm (Fig. 2), mientras que la de un cristal de MHz es de ±15 ppm.
Por ejemplo, el oscilador de silicio de 32.768 kHz de la serie ULPPO de PETERMANN-TECHNIK, que mide sólo 1,5 x 0,8 mm, tiene una estabilidad de temperatura de ±5 ppm en el rango de temperaturas de -40 °C a +85 °C y es, por tanto, 36 veces más preciso que un cristal de cuarzo de 32.768 kHz. Además, el envejecimiento del ULPPO es de ±1 ppm después del primer año y de ±5 ppm después de 10 años. El envejecimiento de un cristal de 32.768 kHz es de ±3 ppm después del primer año y de más de ±20 ppm después de 10 años. La estabilidad de frecuencia de un cristal de 32.768 kHz a 25 °C, valor estándar ±20 ppm, también debe tenerse en cuenta al considerar la precisión de la aplicación. Por tanto, un cristal de 32.768 kHz sólo genera un reloj de sistema de 32.768 kHz muy impreciso, que sólo permite una comunicación de datos muy lenta y consume mucha energía debido a las repeticiones de comunicación de datos descritas.
También existen en el mercado osciladores de cuarzo de 32.768 kHz. Estos son más grandes (2,5 x 2,0 mm o 3,2 x 2,5 mm) y utilizan tecnologías diferentes. Son habituales los osciladores de cuarzo en los que los 32.768 kHz se generan dividiendo una frecuencia MHz (2,5 x 2,0 mm). Estos osciladores consumen unos pocos miliamperios, por lo que son totalmente inadecuados para soluciones alimentadas por batería.
Otros osciladores de cristal de 32.768 kHz (3,2 x 2,5 mm) se basan directamente en un cristal de 32.768 kHz y consumen menos corriente si el CI oscilador no compensa la precisión de frecuencia del cristal. Sin embargo, la frecuencia es tan imprecisa como la de un cristal de 32.768 kHz, por lo que este oscilador oscila muy lentamente.
La tercera solución se basa en un cristal de 32.768 kHz y un circuito integrado oscilador que compensa la precisión de frecuencia muy alta del cristal de 32.768 kHz, pero comienza muy lentamente, normalmente a los 3 segundos, por lo que provoca muchas repeticiones que consumen mucha corriente.
Solución de ahorro de energía de PETERMANN-TECHNIK
La mayoría de las soluciones Bluetooth de bajo consumo utilizan dos cristales de 32.768 kHz (uno para el modo de reposo del CI BLE y otro para el reloj de la MCU) y un cristal de MHz como frecuencia de referencia para el chip BLE (Fig. 3). En una aplicación wearable típica, un oscilador de silicio de 32.768 kHz puede sincronizar simultáneamente el modo de suspensión del BLE y la MCU. Esto ahorra muchísimo espacio en la placa de circuito, ya que el ULPPO de 1,5 x 0,8 mm es sólo la mitad del tamaño del cristal de 32.768 kHz más pequeño de 1,6 x 1,2 mm y un 85% más pequeño que un oscilador de cristal de baja potencia de 3,2 x 2,5 mm.
Si se tienen en cuenta las necesidades de espacio de un cristal de 32.768 kHz con sus dos capacitancias externas de desacoplamiento a tierra, la ULPPO sólo requiere el 85% del espacio de una solución basada en cristal. El ULPPO no necesita condensadores de desacoplamiento, ya que el circuito integrado filtra por sí mismo la tensión de alimentación.
Consumo de energía extremadamente bajo
Incluso la versión estándar de los osciladores de silicio de 32.768 kHz de PETERMANN-TECHNIK tiene un consumo de energía extremadamente bajo, inferior a 1 µA a una VDD de 1,8 VCC. Para reducir aún más el consumo de corriente, la amplitud de salida del oscilador puede adaptarse a los circuitos integrados que se van a sincronizar. VOH puede ajustarse en el rango de 0,6 a 1,225 V y VOL en el rango de 0,35 a 0,8 V. Un PMIC o MCU con una tensión de alimentación de 1,8 VDC requiere una amplitud VIH de 1,2 V o una amplitud VIL de 0,6 V. Esto permite adaptar de forma óptima los osciladores de silicio de 32.768 kHz a la MCU y al BLE ahorrando energía: Otra gran ventaja de la tecnología de osciladores de silicio de nueva generación que no ofrece un oscilador de cuarzo de 32.768 kHz.
Alta fiabilidad de respuesta transitoria
Como los cristales de 32.768 kHz tienen resistencias muy altas, no siempre armonizan perfectamente con las etapas osciladoras de los circuitos integrados que se van a sincronizar. A veces el cristal oscila, a veces no. Si lo hace, no siempre está claro por qué. Las resistencias de entrada negativas de las etapas osciladoras de los circuitos integrados a sincronizar a menudo se dispersan enormemente, o incluso capacitivamente. Según las mediciones de los especialistas de PETERMANN-TECHNIK, no es raro que se produzca una dispersión capacitiva superior al 25%. Esto no facilita el cableado óptimo de un cristal de cuarzo de 32,768 kHz y, además, la frecuencia se distorsiona en el circuito (desplazamiento de frecuencia causado por la sensibilidad de sintonización en ppm/pF de un cristal de cuarzo). Al utilizar un oscilador de silicio de 32,768 kHz de potencia ultrabaja, no sólo se pueden sincronizar varios circuitos integrados simultáneamente, sino que también se eliminan los problemas de transitorios y los desplazamientos de frecuencia. Máxima estabilidad transitoria en cualquier circunstancia, a cualquier temperatura y en cualquier momento.
Enorme ahorro de costes
Un oscilador de silicio de 32.768 kHz de PETERMANN-TECHNIK ahorra dos cristales de 32.768 kHz y la capacidad del circuito, lo que reduce enormemente el espacio necesario en la placa de circuitos. Por tanto, para la aplicación basta con una placa de circuitos significativamente más pequeña y favorable. Además, también se reducen considerablemente los costes de desarrollo, montaje, inspección y pruebas. Teniendo en cuenta los menores costes de adquisición y manipulación de componentes, así como los precios más favorables de los mismos, el fabricante de dispositivos no sólo ahorra electricidad, sino también dinero.
Tecnología más ecológica para un mundo más inteligente
El diseño que ahorra energía empieza por la sincronización. Los osciladores de silicio de 32.768 kHz de ultrabajo consumo de PETERMANN-TECHNIK son un ejemplo de cómo los generadores de reloj adecuados pueden ampliar la energía del sistema de los dispositivos móviles basados en tecnología de hibernación en un 50 por ciento. Los expertos de PETERMANN-Technik, especialista en relojería, asesoran en la selección de los componentes adecuados de la gama de productos "Next Generation Clocking" con un amplio soporte técnico, diseño y entrega rápida de muestras y en serie, lo que permite lograr un rápido tiempo de comercialización.
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OSCILADORES SMD SPXO 32,768 kHz
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