利用低ESR晶体实现物联网超低功耗时序

定时设备为紧凑型无线连接的物联网设备提供心跳，这些设备可以与云和移动平台无缝感知、处理和通信。这些要求对这些部件提出了严格的要求，这些部件必须采用紧凑的外形，并表现出低功耗和高精度。未能满足这些要求可能会损害设备性能、电池寿命和整体可靠性。

在物联网设备中，时序组件（包括 kHz 和 MHz 晶体和振荡器）提供高度稳定的参考时钟，有助于确保大多数设备核心的微控制器 （MCU） 可靠运行。例如，在智能手表和其他可穿戴设备中，准确的计时可确保数据被正确采样和传输，从而实现整个物联网生态系统的精确监控和同步。

精确的计时也支撑着强大的无线连接。准确的定时器在最大限度地减少数据丢失和错误以及防止不同步或信号漂移方面发挥着关键作用，这对于一致运行至关重要。它们增强连接稳定性并平滑物联网设备中使用的许多协议（例如 Wi-Fi、蓝牙和 Thread）之间的转换，同时防止数据丢失或链路丢失。准确的定时对于在启动或唤醒周期期间快速、稳定地重新连接也至关重要，此时物联网设备必须立即重新加入网络。

然而，稳健的时序需要仔细的工程设计。例如，随着石英谐振器的收缩，等效串联电阻 （ESR） 和其他参数可能会增加，从而影响效率和稳定性。选择具有正确封装的低 ESR、高精度晶体有助于平衡功耗、振荡稳定性和可靠性——所有这些都是提供高性能、节能物联网设计的关键因素。

了解等效串联电阻ESR

晶体在电子设备中至关重要，可为微处理器和通信系统等应用提供精确的定时信号。

谐振器的性能是这些系统的关键要求，因为它可以实现高效的功耗并提高设备的可靠性。该设备还必须确保稳定的振荡和精确的作同步，并且足够小，以支持在紧凑型设备中集成多种功能和组件。

影响性能的一个关键参数是等效串联电阻 （ESR）。ESR 充当反振荡的固有电阻，导致部分输入能量以热量形式消散。这种损耗会降低效率，这在低功耗应用中尤为重要。

在电路中，晶体用运动电容、运动电感、运动电阻和分流电容表示（图1）。ESR 通常近似于运动阻力，较低的 ESR 值是非常可取的。了解 ESR 使工程师能够确保可靠、高效的晶体运行。

影响定时器件中ESR的权衡

ESR 在很大程度上取决于频率和大小。这些定时器件是无源元件，当谐振器被电流流过时，它们会根据谐振器的振动产生时钟信号。较小的晶体和在较低频率下工作的晶体往往具有较高的 ESR 值。这主要是因为较小的晶体在单位面积内具有更高的电阻，并且频率和电阻成反比（图2）。

降低较小尺寸晶体的ESR的挑战来自尺寸限制和材料特性所施加的固有限制。为了在这些较小的时序器件中实现更低的ESR值，有必要在设计阶段进行仔细的参数优化，以最大限度地减少电阻损耗，同时保持所需的电气特性。

这很重要，因为当 ESR 超过指定阈值时，可能会出现降低电子系统功能和可靠性的问题。将 ESR 保持在规定范围内对于确保效率、稳定性和可靠性至关重要;过量的 ESR 会增加能量损耗，降低效率并缩短电池寿命。通过仔细选择低 ESR 晶体，工程师可以从边缘的功耗敏感器件中发挥更高的性能。

较高的 ESR 还意味着晶体需要更长的时间才能达到稳定振荡，从而延迟系统功能，损害性能，并进一步增加功率。此外，高ESR会阻碍可靠的启动，导致振荡不稳定、同步问题，并降低系统可靠性。

ESR 如何影响高效功耗

ESR 直接影响能源效率。通过确保较低的ESR，谐振器有效地降低了运行过程中的电阻损耗，从而减少了以热量形式耗散的功率。优化ESR不仅可以延长电子设备的电池寿命，还可以降低因功耗过大而导致性能下降的风险。

驱动电平 （DL） 主要影响晶体功耗。较低的 ESR 会降低 DL，因此晶体使用更少的功率来维持振荡，从而更有效地运行。DL可以通过ESR和晶体上的峰峰值电流（I p-p）来确定（图3）。

低 ESR 对快速启动时间的影响

在kHz晶体中保持低ESR对于快速启动时间至关重要，确保在上电后立即向微处理器提供稳定的时钟信号（图4）。较低的ESR减少了晶体稳定所需的时间，从而最大限度地减少了启动期间的高电流消耗。

kHz谐振器实现的启动时间本质上比高频器件慢，因此低ESR对于需要MCU和MPU即时可靠时钟信号的应用至关重要。因此，最小的 ESR 有助于提高系统级的能源效率，使其成为功率敏感电子系统的关键因素。

低ESR可在启动期间实现稳定振荡

低ESR在确定“振荡裕度”方面起着关键作用，这确保了启动期间晶体振荡的稳定。振荡裕度反映了振荡器在此期间在不同条件下启动和维持可靠振荡的能力。

更具体地说，它是振荡器的负电阻与ESR的比率，可以通过测量晶体可以承受的最大串联电阻（RQMAX）来确定（图5）。裕度越高表示稳定性越高，ESR 越低，稳定性越高。调整RQ直到振荡停止以确定RQMAX。5以上的余量保证了可靠的启动和稳定的运行。

选择提供可靠性和精度的定时器件

工作频率为 32.768 kHz 的 FC1610BN 等定时器件可以支持广泛的应用，为设计人员提供了满足现代便携式和可穿戴物联网设备多样化要求的选择。全面的晶体产品组合使工程师能够从全系列封装中进行选择，包括行业“最佳”尺寸，从而优化设计灵活性。极低的 ESR 确保了物联网设计中的节能运行和可靠的振荡。

当今的无线物联网设备需要紧凑的尺寸、低功耗和高精度。该FC1610BN是一个 32.768 kHz 的单元，具有超低 ESR，可以满足很多这些要求。紧凑的 1.6 × 1.0 mm 封装适合空间受限的外壳，而 ESR 可延长能量受限可穿戴设备的电池寿命。−40 至 +105°C 的宽温度范围确保了在恶劣条件下的工业级可靠性（见表）。

选择正确的定时器件只是第一步。设计评估服务可帮助工程师优化其设备的性能和可靠性。早期支持可降低振荡不稳定、功耗高或定时不准确等风险，从而实现可靠、节能的运行并加快上市时间。

这种支持可以帮助评估设计的ESR分析和振荡特性，以及振荡裕度和启动时间。测量频率精度和漂移有助于验证设计的时序可靠性。

通过垂直整合推进时钟

在 kHz 晶体中，低 ESR 对于确保可靠运行至关重要。它支持节能性能、快速启动时间和一致振荡，所有这些对于便携式和可穿戴设备尤为重要。设计人员可以使用这些定时解决方案来确保电池供电系统的精确、稳定定时并最大限度地提高能效。

了解 ESR 对设计人员来说至关重要，因为它会影响功耗、振荡稳定性和系统可靠性，但这只是更大图景的一部分。

提供物联网设计所需性能的另一个关键因素在于与具有垂直集成制造流程的供应商合作。内部设计和生产合成石英晶体和半导体 IC 可确保端到端控制，确保时序解决方案提供性能、可靠性和可用性。

垂直整合的流程确保计时解决方案符合统一性能的严格标准，并完全控制生产，从而提供可靠的供应链。综合的专业知识有助于快速开发优化和创新的解决方案。