因應消費性電子產品對時序電路的嚴格要求。本文概述相關產品設計人員所面臨的嚴苛時序要求，以及說明如何挑選合適的時序晶體，並以產品實例說明。
消費性電子產品對時序電路具有嚴格的要求。快速成長的戶外設備類別，例如電動自行車與滑板車，會讓時序晶體暴露在極端溫度與振動中。此外，Thread與Matter的興起，也促使無線連結除了要維持嚴格的時序準確度，更要降低功耗。
與此同時，這些時序電路不僅要簡單且符合成本效益，也要維持足夠的堅固性，以便在長期使用期間經常遭到疏忽或粗暴處理的情況下依舊提供可靠效能。
本文概述高效能消費性電子產品設計人員所面臨的嚴苛時序要求，以及說明如何挑選合適的時序晶體，並以Murata的產品為例說明。
消費性電子趨勢帶來時序新需求
消費性電子涵蓋的應用組合相當多元，但是有幾項廣泛的趨勢正在推升各種時序裝置的需求。
‧ 裝置越來越智慧化：精密的感測器與處理器變得普及，而每一顆晶片都需要時脈訊號。
‧ 連接方式日益多樣化：單一裝置可能同時具備近場通訊（NFC）、低功耗藍牙 （BLE）、Zigbee、Thread、Wi Fi或乙太網路，但每種技術都有其各自的時序規範。
‧ 環境條件日益嚴峻：即使是較輕負荷的產品，也正面臨過去通常只出現在戶外設備等類別中日益嚴重的熱問題。
‧ 越來越多裝置仰賴電池：時序電路的電力預算日益緊繃，但對於耐受多年粗心使用或使用者疏忽的期望仍然存在。
因此，耐用時序裝置的需求日益增加。事實上，許多系統都需具備幾個這類裝置。以居家能源管理系統（HEMS）為例，可能就包含BLE、Zigbee、乙太網路以及CPU時脈（圖一）。
HEMS 產品需為其控制器與通訊通道配置多個時脈。（圖片來源：Murata）
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設計人員可以使用Murata的XRCGB晶體元件來應對這些挑戰。這些裝置的頻率範圍為 24至40 MHz，適用於微控制器（MCU）與通訊晶片。可在寬廣的溫度範圍（-40°C至+125°C）下維持穩定的時序，具有長期低漂移，並且通過AEC-Q200測試 （包括劇烈振動與衝擊），適合汽車應用。
本系列所有機型皆採用四焊墊表面黏著元件（4 SMD）封裝（圖二），尺寸為2016（2.0 × 1.6 mm），高度為0.7 mm。本系列的尺寸比SMD時序晶體常用的3225尺寸（3.2mm × 2.5 mm）還小60%。
XRCGB 晶體元件採用 2016 尺寸的 4-SMD 封裝。（圖片來源：Murata）
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XRCGB晶體元件也提供低負載電容和低等效串聯電阻（ESR）。因具有低負載電容，特別適合用於電源受限的設計。
這些裝置的整體結構與外形尺寸適用於多種嚴峻的消費性應用。
高負載設備將晶體推向極限
高功率電池的快速演進正推動戶外設備、電動工具及其他高負載消費性裝置的成長。例如電動自行車與滑板車、機器人割草機、電動工具以及無人機等，都預期要承受反覆的實體使用，並提供多年可靠的運作。此設備常暴露於極端環境：寒冬到酷暑的溫度變化、崎嶇地形或高速運轉產生的振動與衝擊，以及來自雨水或凝結的濕氣。
以獲得越野評等的電動登山自行車（eMTB）為例。有冒險精神的騎士可能會在悶熱的天氣騎乘，反覆進行短促加速，導致車輛內部溫度頻繁上升，同時在崎嶇地形上對車輛造成劇烈的衝擊。花了數千美元購入一輛eMTB的買家，有充分理由期待這部機器能在多年內反覆承受這類極端使用。
XRCGB晶體元件，例如XRCGB30M000F3V1BR0，就非常適合這類應用。此晶體的 30 MHz 輸出是這些平台常用之馬達控制器與系統單晶片（SoC）的常見時脈頻率。此外，因通過AEC-Q200汽車級認證，因此適用於高負載消費性電子產品所面臨的嚴苛環境。
XRCGB晶體元件的堅固機械效能歸功於其金屬蓋帽設計（圖三）。與傳統時序晶體設計相比，Murata的設計提供具有機械堅固性又符合成本效益的封裝。
XRCGB晶體元件採用陶瓷板與金屬蓋帽，與使用陶瓷腔體與金屬板的傳統設計不同。（圖片來源：Murata）
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XRCGB30M000F3V1BR0具有8 pF負載電容，為同類產品中大多數SoC振盪器輸入端的標準值，因此不需要進行特殊的電路修改。此外，其具有65 Ω的低ESR，足以提升啟動可靠性並降低相位雜訊，這兩者對於經常開關電源的裝置 （如在負載下反覆開關的馬達控制器） 而言相當重要。
搭載相機的裝置需要更多小型時序晶體
搭載攝影機的裝置已成為大眾化市場的品類，每年出貨量達數千萬台。本類別包含以相機為核心的產品 （如視訊門鈴），以及各類目前正加入相機功能的裝置，例如掃地機器人。這些裝置都需要計時器以用於其互補式金氧半導體 （CMOS） 影像感測器及其他板載電子裝置。
環境條件帶來的挑戰，是許多這類裝置關切的問題。舉例而言，視訊門鈴可能會暴露於北方的極寒冬季或沙漠的炙熱夏季。
電池供電的機種更帶來電力限制：晶體的負載電容會直接影響振盪器的電流消耗，而這些μA程度的電流對多年運作來說有其影響。在當今消費市場中，產品的長使用壽命至關重要。門鈴攝影機通常在安裝後就會被忽視多年，因此晶體必須在未重新校正的情況下，維持在時序預算內。
XRCGB24M000F3V1AR0可示範XRCGB系列如何滿足這些需求。其24 MHz輸出可直接符合大多數主流CMOS影像感測器的主時脈需求。相同的頻率在處理器與週邊時脈中也很常見，因此對於內建相機的緊湊型設計來說相當實用。
6 pF的負載電容相比8 pF選項可降低振盪器電路的電流消耗，這對任何電池供電式設計來說是優點之一。初始容差為±30 ppm，且15年內的老化指數為±10 ppm，能為設計人員提供明確的長期漂移預算，以確保穩定運作；而此系列的工作溫度範圍為-40°C至+125°C，可支援任何氣候下的安裝。
封裝尺寸對搭載相機的裝置來說也很重要。2.0 mm × 1.6 mm的覆蓋區搭配緊湊的2.1 mm × 1.7 mm焊盤配置（圖四），可更輕易將晶體放置於振盪器引腳附近，同時保留電路板空間供其他功能使用。
XRCGB 晶體元件採用 2.0 × 1.6 mm 覆蓋區與 2.1 × 1.7 mm 的焊盤配置。（圖片來源：Murata）
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Matter與Thread的遠距離傳輸需精準時序
Matter與Thread已成為連網家庭裝置的首選標準。Matter是由連接標準聯盟 （Connectivity Standards Alliance）制定的應用層標準，可在Thread、BLE或Wi Fi上運作。Thread是一種基於網際網路協定（IP）的網狀協定，以IEEE 802.15.4的2.4 GHz頻率運作。這些標準共同構成越來越多智慧家庭裝置的核心，包括恆溫器、智慧儀表、能源管理系統和智慧門鎖。
IEEE 802.15.4是Thread與Zigbee的基礎，規定時序準確度預算為+/- 40 ppm：其2.4 GHz頻道頻寬為5 MHz，裝置的漂移不得遠離頻道範圍，以免超出網狀鄰居的接收器通帶。BLE也具有+/- 50 ppm的總誤差預算。這些裝置同時也面臨熱管理上的挑戰。恆溫器會放置在加熱與冷卻設備附近，智慧儀表會安裝在公用事業設備箱內，家庭能源管理系統則會放置在家電附近，因此，晶體會面對溫升，導致頻率漂移增加。
XRCGB32M000FBV1BR0是合適的解決方案。其32 MHz輸出對廣泛使用的Thread、Zigbee與BLE SoC而言，是必要的參考時脈頻率。有提供+/- 15 ppm的初始容差和+/-10 ppm的老化容差，為BLE或Thread的預算保留充足的餘裕。
設計人員必須在整個溫度範圍內，將+/- 45 ppm的總溫度相關頻率變化納入考量。然而，在低於100°C時，與溫度相關的變化約為+/- 10 ppm（圖五）。這可以讓初始容差、老化與溫度所造成的總變化，在典型室內條件下仍維持於BLE或Thread的時序預算之內，而無需使用溫度補償式晶體振盪器（TCXO）。
此為24 MHz標稱頻率下，XRCGB晶體隨溫度變化的典型頻移；此曲線為XRCGB-F-A系列的特性，其他系列可能有所不同。（圖片來源：Murata）
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XRCGB32M000FBV1BR0的8 pF負載電容對這些應用的SoC系列來說屬於標準配備，因此不需要特殊的振盪器電路。最後，其65 Ω的低ESR對無線電應用來說比對處理器時脈更為重要，因為較高ESR的晶體會增加相位雜訊，在壅塞的2.4 GHz環境中會導致接收器靈敏度與鏈路裕度衰退。
結論
耐用性、精確度與簡易性：如今的消費性電子產品需要全方位的時序電路。Murata的XRCGB晶體元件提供現成的解決方案，其堅固的設計可耐受極端環境長達多年。若設計人員想要小型尺寸的可靠方案，這些晶體能為眾多應用的處理器、感測器與通訊協定提供可靠的時脈。
（本文作者Barley Li為DigiKey亞太區技術應用工程經理）
