ブログ

プログラマブルなタイミングによる最大のサイズと省電力の利点

プログラマビリティは、いくつかの方法で電子製品の設計を改善します。より明らかな利点としては、開発の迅速化やリードタイムの短縮などがあります。このシリーズの最初のブログで説明したように、一部はパフォーマンスに関連しています。以下で詳しく説明するその他の利点は、やや驚くべき、あまり知られていない方法でサイズと電力の削減につながります。これらの利点はすべて、MEMS タイミング システムの広範な機能セット (多くは以下の表に示されています) とプログラム可能なアーキテクチャによって実現されます。

より小さなサイズ、より大きな機能

プログラマブル タイミング プラットフォームは、さまざまな方法でコンポーネント数とシステム サイズを削減できます。まず、当社のデバイスの周波数は小数点以下 6 桁の精度で非常に広範囲にプログラムできるため、設計者はダウンストリーム チップ (MCU、MPU、SoC など) の要件に正確に一致する出力周波数を選択でき、必要性を排除できます。追加のバッファ/分周器および周波数変換器 PLL 用。一部の発振器には、動作中に周波数を 1 MHz ～ 725 MHz でプログラムできるインシステム プログラマビリティ (ISP) が備わっています。これらの発振器は、5 ppt の分解能と優れたプル直線性で± 3200 ppm までプルすることもできます。このタイプのプログラマブル デバイスは、複数の周波数をサポートするシステム内の複数のタイミング コンポーネントを交換するのに最適です。

BOM を削減するもう 1 つの方法は、発振器出力ドライバーを最大駆動強度にプログラムして、複数のデバイスを駆動できるようにすることです。これにより、ファンアウト バッファが不要になり、必要なタイミング コンポーネントの数が減ります。たとえば、小型フォームファクタのワイヤレス製品では、より高い駆動強度を持つ単一の 32 kHz 発振器で、RTC プロセッサ、BLE スリープ クロック、およびオーディオ DAC またはコーデックを駆動し、複数の水晶振動子とそれに関連するすべての負荷コンデンサを置き換えることができます。また、これらの32 kHz 発振器の立ち上がり/立ち下がり時間はデバイス ファミリに応じて 10 秒から数百 ns の範囲であるため、信号の完全性や反射の問題について心配する必要はありません。

MEMS は本質的に小型かつ堅牢であり、かさばるパッケージを必要としません。 MEMS 発振器の内部はすべてシリコンであるため、チップ スケール パッケージング (CSP) などの最新の高度な半導体パッケージング技術を使用してパッケージ化できます。設計者は、実装面積が IC 発振器ダイよりも大きくない、つまり現在入手可能な最小の発振器の実装面積であるわずか 1.5 x 0.8 mm の CSP で発振器構成を選択できます。

バッテリー寿命の延長

消費電力を削減することの重要性は引き続きますます高まっており、プログラム可能なタイミング機能もこの能力に役立ちます。プログラマブル NanoDrive™ もそのような機能の 1 つです。 NanoDrive を使用すると、出力および関連する電圧スイングを、フル LVCMOS (レールツーレール) からわずか 200 mV の出力スイングまで、下流の MCU または PMIC に合わせてプログラムでき、消費電流を大幅に低減できます。より低い電圧を使用する低電力 MCU または IC の発振器維持回路に接続するためにフル LVCMOS 出力を使用するのはなぜですか?

この同じ発振器は、最小 1.2V の広い供給電圧動作範囲でバッテリ寿命を延ばすことができるため、コイン型電池やスーパーキャパシタ バッテリのバックアップなどのバッテリ駆動のアプリケーションに最適です。 また、SiTime MEMS発振器の周波数は 1 Hz までプログラムできるため、出力負荷電流を MCU/IC 動作周波数範囲の下限まで下げることができ、消費電力を削減できます (消費電力は C*V2*F に比例します)。ここで、C は静電容量、V は電圧、F は周波数です)。たとえば、出力周波数を 2 MHz から 500 kHz に下げると、無負荷動作電流が約 70% 減少します。対照的に、水晶は周波数が低いほど物理的に大きくなるため、周波数が 32.768 kHz 未満の水晶デバイスは非常にまれです。低周波数の MEMS 発振器を低電源電圧および NanoDrive 出力と組み合わせて使用することは、電力を大幅に削減するための強力な組み合わせです。

システム電力を削減するもう 1 つの手段は、75 ppm の周波数安定性を備えた 32 kHz MEMS発振器や、 ± 3 ppm の安定性を備えた 32 kHz MEMS TCXOなど、より優れた周波数安定性のオプションを選択することです。たとえば、ワイヤレス デバイスでは、安定性が向上するとスリープ クロック精度 (SCA) が向上します。これは、デバイスがスリープ状態を維持して電力を節約できる時間に直接関係します。対照的に、安定性の悪いクロックを使用すると、マスターからのパケットの欠落を避けるために無線受信機が早くオンになり、オン状態が長くなり、システムがより多くの電力を消費することになります。安定性の向上による電力削減の詳細については、次のホワイト ペーパーを参照してください: MEMS タイムキーパーはモバイル デバイスのスタンバイ寿命を延長し、 医療アプリケーション向けのフィールド プログラマブル タイミング ソリューションを提供します。

最後に、電力を節約するもう 1 つの方法は、SiTime MHz 発振器で利用可能な機能ピン 1 をプログラムすることです。このピンは、出力イネーブル (OE) またはスタンバイ (ST) のいずれかにプログラムできます。どちらの場合も、ピン 1 をLow にすると出力発振が停止します。 OE では、出力ドライバーが無効になって Hi-Z モードになりますが、デバイスの残りの部分はまだ動作しています。出力が非アクティブになるため、消費電力が減少します。 OE ピンがHighにプルバックされると、出力は通常 1 µs 未満でアクティブになります。 ST を使用すると、デバイスのすべての内部回路がオフになり、電力がスタンバイ電流 (通常は数マイクロアンペアの範囲) まで減少します。 ST がHighに戻ると、デバイスの出力は約 3 ～ 10 ms 以内に再開します。

柔軟でプログラム可能なタイミング

バッテリー駆動製品では、サイズの小型化と消費電力の低減が両立します。 MEMS タイミング システムは、サイズと電力を削減するための構成可能なタイミング機能の最大の選択肢を提供します。さらに、SiTime MEMS タイミング システムのプログラマブル プラットフォームと豊富な機能により、リスクを軽減しながらパフォーマンスが向上し、開発と製造の時間が短縮されます。プログラム可能なタイミングがもたらすサプライ チェーンの最大のメリットについて詳しく知るには、シリーズ 3 回目となる次回のブログをご覧ください。それまでの間、弊社の部品番号ジェネレーターをチェックして、何億もの部品番号を生成するプログラム可能なオプションを確認してください。

……………………………………………………

この記事への貢献については、カスタマー エンジニアリング担当ディレクターの Jim Holbrook に感謝します。