בחירת גבישים עבור מיקרו-בקרים לרכב SPC5‏ ו-STM8‏

יחידות מיקרו-בקר (MCU) והתוכנה הנלווית אליהן ממשיכות לשפר את כלי הרכב ולהפוך אותם לחכמים יותר, בטוחים יותר ויעילים יותר. כדי להיות יעילים, מיקרו-בקרים זקוקים למקורות תזמון מדויקים עבור ביצוע בזמן-אמת, פרוטוקולי תקשורת ומדידת זמן כללית. למרות סביבת הפעולה הקשה, מדידות זמן אלו חייבות להיות מדויקות, אמינות, יעילות וחסכוניות. מתנדי גביש הם קריטיים להבטחת תזמון מדויק ופעולה יציבה ביישומים כאלה.

שמירה על תזמון מדויק דורשת גבישים המותאמים לתפקיד חיוני זה בסביבת הרכב הגרועה ביותר, שבה יש מעט מקום לפשרות. ובכל זאת, לא הרבה מהנדסים שולטים בדקויות של בחירת גבישים, מה שמגדיל את הסבירות לשגיאות תזמון לאורך חיי המוצר. ניתן למתן את הסיכון לטעויות באמצעות כלים מתאימים אשר מייעלים ומפשטים את תהליך הבחירה.

מאמר זה דן בקצרה בבעיות התזמון העומדות בפני מתכנני מערכות אלקטרוניות לרכב. לאחר מכן המאמר מציג כלי בחירה של .ECS Inc, ספקית של חלקי רכב מורשי AEC-Q200, ומראה כיצד הוא מקל על הבחירה והיישום של גבישים לתזמון מיקרו-בקר ברכב. המיקרו-בקרים מסדרות SPC5x‏ ו-STM8x‏ של STMicroelectronics משמשים כמטרות דוגמה.

מתנדי גביש

מיקרו-בקרים משתמשים בבסיס זמן כדי לספק שעונים פנימיים לסנכרון פעולות, יצירת תזמון פנימי, הפעלת פסקים (Interrupts) ומימוש מאפיינים כגון מערכות הפעלה בזמן-אמת. בסיס הזמן של השעון הוא מתנד גביש מדויק המשמש להבטחת דיוק ויציבות לאורך הזמן והטמפרטורה.

מיקרו-בקרים לרכב, כגון סדרות SPC5x ו-STM8x של STMicroelectronics, מתוכננים עם מתנדים מובנים המכילים מגבר מהפך ונגד משוב. נגד המשוב, המחובר בין הכניסה והיציאה של הממיר, שומר עליו פועל כמגבר ליניארי. אלמנט תהודה, כגון גביש פייזואלקטרי והמעגלים הקשורים אליו, מחוברים לממיר הפנימי כדי להשלים את המתנד (איור 1, משמאל).

איור 1: מתנד שעון נוצר כאשר מהוד גביש חיצוני והמעגלים הנלווים אליו מחוברים למהפך הפנימי ולנגד המשוב של המיקרו-בקר (משמאל); לגבישים יש תהודה הן טורית והן מקבילית (מימין). (מקור התמונה: .ECS Inc)

מודל המעגל האקוויוולנטי של נגד, משרן וקבל (RLC) של הגביש מורכב ממשרן (_1‏L‏) בטור עם קבל (_1‏C‏) ונגד (_1‏R‏). במקביל לרכיבים הטוריים נמצא קבל מצד (Shunt‏) (_0‏C‏), המייצג את קיבוליות הכניסה והיציאה של הממיר, מארז הגביש והחיווט הנלווה. הענף הטורי קובע את תדר התהודה הטורי של הגביש (_s‏F‏). הקבל המקבילי הוא בתהודה עם הענף הטורי, ומניב את התדר המקבילי או האנטי-תהודתי של הגביש (_a‏F‏). גרף הריאקטנס מציג את שתי התהודות (איור 1, מימין); התהודה הטורית מתרחשת תמיד בתדר נמוך יותר מהתהודה המקבילית.

ככלל, המתנד מוגדר לתדר בין התהודה הטורית והמקבילית, כאשר עומס קיבולי משמש לכוונון תדר המתנד. התדר המוגדר של הגביש קשור לקיבוליות עומס מדויקת. קיבוליות עומס הגדולה מהעומס המוגדר של הגביש תקטין את תדר המתנד, בעוד שקיבוליות עומס נמוכה יותר תעלה אותו.

המתנד באיור 1 הוא תצורת מתנד Pierce‏. הוא מורכב משני ענפים: הענף האקטיבי, שהוא המהפך הפנימי של המיקרו-בקר, והענף הפסיבי המורכב מהגביש והרכיבים הנלווים אליו. הגביש והקבלים _1‏C‏ ו-_2‏C‏ יוצרים רשת pi‏ סלקטיבית לתדר בחוג המשוב של המתנד. מסנן pi‏ מספק היסט פאזה של 180 מעלות בתדר המתנד הרצוי.

תנאים להתנעת מתנד

המתנד הוא מעגל משוב היוזם ומקיים תנודות יציבות. תנאי המשוב התאורטיים להתנעת המתנד הם שלחוג יהיה הגבר יחידה והיסט פאזה של אפס מעלות. הגביש בחוג המשוב הוא אלמנט פסיבי עם הפסדים נלווים. הענף האקטיבי חייב לספק התנגדות שלילית גדולה יותר מההתנגדות הטורית האקוויוולנטית (ESR) של הגביש כדי שהמתנד יפעל. הפסדי הגביש הם פונקציה של ה-ESR של הגביש, תדר המתנד וקיבוליות המצד (Shunt‏) והעומס של המעגל. את ה-ESR של הגביש ניתן למצוא בגיליון הנתונים שלו. ההתנגדות השלילית של המתנד צריכה להיות לפחות פי חמישה מ-ESR.

גישה נוספת לתנאי ההתנעה של המתנד היא ההתחשבות במוליכות שלו (_m‏g‏), הנמדדת במיליאמפר לוולט (mA/V). במקרה זה, ההגבר של הממיר חייב לעלות על ההפסדים של חוג המשוב. המינימום התאורטי הוא הגבר חוג קריטי של אחד, אך זה אינו גבול מעשי. בפועל, הגבר המגבר אמור לגרום למרווח הגבר של פי חמישה מההגבר הקריטי (_mcrit‏g‏) הגרוע ביותר. ה-_mcrit‏g‏ הוא הטרנס-מוליכות המינימלית של מתנד הנדרשת כדי לשמור על תנודות יציבות. ההגבר הקריטי הוא פונקציה של ה-ESR, התדר והקיבוליות, לפי המשוואה: g_mcrit = 4 × ESR × (2pF)² × (C₀ + C_L)².

את הטרנס-מוליכות של המתנד ניתן למצוא בגיליון הנתונים של המיקרו-בקר.

כפונקציית הגבר קריטי במקרה הגרוע ביותר, Gmcrit-Max משתמש באותה משוואה אך עם הערכים המקסימליים של כל פרמטר גביש מגליון הנתונים. כאשר הגבר המתנד גדול מפי חמישה מ-Gmcrit-Max, מובטחת פעולה תקינה בכל התנאים.

ביצועי ההתנעה מוערכים על סמך יכולתו של המתנד להתניע פעולה באופן עקבי בכל תנאי הסביבה שהמעגל צפוי להיתקל בהם, כמו גם על סמך זמן השיהוי (Latency‏) שלו, שהוא הזמן שלוקח להתניע (איור 2).

איור 2: המתנד מתחיל לפעול כאשר מגיעים להגבר יחידה וכאשר _DD‏V‏ עולה. זמן ההתנעה נמדד מרגע ש-_DD‏V‏ עוזב אפס וולט ועד שהמתנד מתייצב בתדר הגביש. (מקור התמונה: .ECS Inc‏)

רמת דחיפת הגביש

גבישים מפזרים הספק עקב הזרם הזורם דרכם. רמת הספק הדחיפה היא מכפלה של זרם ה-RMS דרך הגביש בריבוע, כפול ה-ESR. לגבישים יש רמת התנעה מקסימלית מוגדרת, הנקבעת בדרך כלל במילי-וואט (mW) או מיקרו-וואט (μW). עליה מעל רמת הדחיפה המקסימלית עלולה לגרום לפעולה לא יציבה, קפיצות מצבים, קיצור חיי המוצר או אפילו כשל של הגביש. כמו כן, אם רמת הדחיפה נמוכה מדי, ייתכן שהמתנד לא יתחיל לפעול.

את רמת הדחיפה ניתן לבקר על ידי הצבת נגד בטור עם הגביש. הנגד _RS‏ באיור 1 הוא דוגמה; הוא מבקר את הזרם דרך הגביש ושומר על רמת הדחיפה בתוך ערכי המפרט.

אופני הפעולה של הגביש

ממדי אלמנט הגביש קובעים את התדר הבסיסי שלו. ככל שעובי אלמנט הגביש יורד, התדר שלו עולה. בשלב מסוים הגביש דק ושביר מדי מכדי לפעול בצורה אמינה. תדר מגביל זה הוא כ-50 מגה-הרץ (MHz).

מתנדי גביש הפועלים בתדרים גבוהים יותר משתמשים בגבישים המתוכננים להדגיש את ההרמוניות האי-זוגיות של התדר הבסיסי של הגביש. תדרי אופן הרמוני אלה נקראים Overtones‏. גבישי Overtone‏ מוגדרים על ידי מספר הרמוני, כגון שליש, חמישית או שביעית אופן Overtone‏. לגבישים אלה יש מבנה שונה מזה של גבישי אופן בסיסי. תכני מתנד Overtone‏ עשויים לשלב רכיבי מעגלים, כגון מעגלי L-C, כדי לשכך את התדר הבסיסי ולהבטיח פעולה בתדר ה-Overtone‏ הרצוי.

טולרנס ויציבות התדר

טולרנס התדר מתייחס לסטייה הנמדדת של המתנד מהתדר המתוכנן שלו. הטולרנס נמדד בדרך כלל בחלקים למיליון (ppm), בדרך כלל בטמפרטורה של C‏°‏25‏+.

יציבות התדר מודדת כמה תדר של מתנד משתנה לאורך זמן או בתחום טמפרטורות נתון. גם זה נמדד ב-ppm. גורמים רבים יכולים להשפיע על יציבות הגביש, כולל טמפרטורה, מתח הפעולה וההזדקנות, שהיא שינוי איטי בתדר הגביש לאורך זמן. גם הזדקנות נמדדת ב-ppm לשנה. דחיפת-יתר של הגביש יכולה גם כן לפגוע ביציבותו.

לשם הבהרה, ppm אחד פירושו שתדר גביש של 1 מגה-הרץ עשוי להשתנות ב-1 הרץ (Hz), השווה ערך ל-0.0001%. לדוגמה, גביש של 8 מגה-הרץ עם טולרנס של ppm‏ 30‏ יכול להשתנות ב-240 הרץ מהתדר הנומינלי שלו.

הרשאת AEC-Q200‏

גבישים, כמו התקנים פסיביים אחרים המיועדים להתקנה ברכבים חשמליים, חייבים להיות מורשים לעמוד בדרישות המחמירות שמוטלות על ידי אותה סביבה, כולל התקן העולמי AEC-Q200 לעמידות במאמצים. חלקים נחשבים כבעלי הרשאת AEC-Q200 אם עברו סדרה מחמירה של מבחני מאמץ, כולל טמפרטורה, הלם תרמי, עמידות ברטיבות, טולרנס ממדים, עמידות לממיסים, הלם מכני, רעידות, פריקה אלקטרוסטטית, יכולת הלחמה וגמישות הלוח, בין היתר.

כלי בחירת גבישים

כלי בחירת גבישים לרכב של .ECS Inc מספק שיטה פשוטה להתאמת גבישים בדירוג-רכב עם מיקרו-בקרים מורשים-לרכב SPC5 ו-STM8 של STMicroelectronics.

פתיחת כלי הבחירה מספקת למתכנן רשימה של מיקרו-בקרים SPC5 ו-STM8, כמו גם גבישים מורשים-לרכב של ECS, יחד עם תצוגה של פרמטרים של מתנד גביש (איור 3).

איור 3: עמוד הבית של כלי בחירת גבישים לרכב מציג רשימות של מיקרו-בקרים וגבישים. (מקור התמונה: .ECS Inc‏)

המיקרו-בקרים של STMicro מופיעים באזור הכחול. הגבישים מופיעים באזור הלבן. התהליך מתחיל בבחירת מיקרו-בקר, כגון ה-SPC56AP‏ בראש רשימת המיקרו-בקרים (איור 4).

איור 4: לאחר בחירת המיקרו-בקר SPC56AP, מוצגים הגבישים התואמים ופרמטרי התכנון הנלווים אליהם. (מקור התמונה: .ECS Inc‏)

כאשר נבחר המיקרו-בקר SPC56AP, הכלי מעדכן את רשימת הגבישים כדי להציג רק את הגבישים התואמים למיקרו-בקר זה, יחד עם פרמטרי התכנון הנלווים אליהם. בשלב זה, המתכנן בוחר את הפרמטרים הרצויים. לדוגמה, נניח שרוצים תדר שעון של 8 מגה-הרץ ומרווח ההגבר הגבוה ביותר של 23.42‏. ביצוע בחירות אלו מצמצם את בחירת הגביש לחלק יחיד, גביש ECS-80-8-30Q-VY-TR‏ (איור 5).

איור 5: בחירת פרמטרי הגביש הרצויים מדגישה את הגביש ECS-80-8-30Q-VY-TR. (מקור התמונה: .ECS Inc)

גביש 8 מגה-הרץ זה מתוכנן לפעול עם עומס קיבולי של 8 פיקו-פאראד (pF) וטולרנס של ppm‏ 30‏. משמש בשילוב עם ה-SPC56AP, יש לו gmcrit‏ של mA/V‏ 0.17‏ ו-gm של mA‏ 4‏, וכתוצאה מכך מרווח הגבר בפועל של 23.42. מרווח ההגבר במקרה הגרוע ביותר, המבוסס על Gmcrit-Max‏, הוא חמש.

דוגמה נוספת משתמשת במעבד STM8AF‏ הפועל בתדר שעון של 24 מגה-הרץ. בחירת ערכים אלו מניבה את ה-ECS-240-8-33B2Q-CVY-TR3‏ (איור 6), גביש של 24 מגה-הרץ המיועד לפעול עם עומס קיבולי של pF‏ 8‏ וטולרנס תדר של ppm‏ 10‏.

איור 6: בחירת גביש עבור מעבד STM8AF הפועל בתדר 24 מגה-הרץ מניבה את ה-ECS-240-8-33B2Q-CVY-TR3. (מקור התמונה: .ECS Inc)

כל הגבישים במדריך הבחירה הם מורשי AEC-200 עם תחום טמפרטורות פעולה של C‏°‏40‏- עד C‏°‏150‏+.

סיכום

מיקרו-בקרים (MCU) לרכב פועלים בסביבות מאתגרות וחייבים להיות נתמכים על ידי גבישי שעון מתאימים. בחירת גבישי שעון דורשת הבנה של הפרמטרים העיקריים, כולל תדר, תחום טמפרטורות, טולרנס, יציבות, ESR וטרנס-מוליכות, כדי להבטיח תזמון ויציבות מדויקים. .ECS Inc מציעה כלי המסייע בבחירה מתוך מגוון רחב של גבישים מורשי-AEC-Q200, המותאמים למיקרו-בקרים מסדרות STM8x ו-SPC5x.