为 SPC5 和 STM8 汽车级 MCU 选择晶体

微控制器 (MCU) 及其相关软件正在持续提升汽车性能，使其更加智能、安全和高效。为很好地发挥作用，MCU 需要准确的定时源，以满足实时执行、通信协议和通用计时的需求。尽管工作环境恶劣，但这些时间测量必须准确、可靠和具有高性价比。在此类应用中，晶体振荡器对于确保精确定时和稳定运行至关重要。

在最严苛的汽车环境中，要保持精确的计时功能，容不得半点差池，因此需要采用能够胜任这一关键角色的晶体振荡器。然而，真正精通晶体选型细节的工程师寥寥无几，这极易在产品整个寿命周期内增大计时误差风险。为此，可以采用适当的工具来优化和精简选型流程，以降低误差风险。

本文首先简要讨论汽车电子系统设计人员面临的计时问题。然后介绍 AEC-Q200 认证汽车零部件供应商 ECS inc. 提供的选型工具，并展示该工具如何有助于汽车 MCU 计时晶体的选型和实施。本文以 STMicroelectronics 的 SPC5x 和 STM8x 系列 MCU 为例进行介绍。

晶体振荡器

MCU 使用时基提供内部时钟，用于同步操作、生成内部计时、触发中断以及实现如实时操作系统等功能。时钟时基是一种精确的晶体振荡器，用于确保计时精度和稳定性不受温度和时间的影响。

STMicroelectronics 的 SPC5x 和 STM8x 系列等汽车 MCU 内置了振荡器，这种振荡器包含一个反相放大器和一个反馈电阻。其中，反馈电阻连接在反相器输入与输出端之间，能确保其始终工作于线性放大状态。如压电晶体及其相关电路等谐振元件与内部反相器相连，以形成完整的振荡器（图 1，左）。

图 1：当外部晶体谐振器及其关联电路连接到 MCU 的内部反相器和反馈电阻器（左）时，即构成时钟振荡器；晶体同时具有串联和并联谐振点（右）。（图片来源：ECS Inc.）

晶体的电阻器、电感器和电容器 (RLC) 等效电路模型由一个电感器 (L₁)、一个电容器 (C₁) 和一个电阻器 (R₁) 串联组成。与串联元件并联的是并联电容器 (C₀)，作为反相器、晶体封装和关联线路的输入和输出电容。串联支路决定晶体的串联谐振频率 (F_s)。并联电容器与串联支路共振，产生晶体的并联谐振频率，或称反谐振频率 (F_a)。电抗图显示了两种谐振（图 1，右）；串联谐振频率总低于并联谐振频率。

设置振荡器的频率时，通常使其位于串联谐振和并联谐振点之间，并利用电容负载来调节振荡器频率。晶体的标称频率与精确的负载电容相关联。负载电容大于晶体的标称负载时会降低振荡器频率；反之，则会提高振荡器频率。

图 1 所示的振荡器为 Pierce 配置振荡器。该振荡器由两个支路组成：有源支路是 MCU 的内部反相器，无源支路由晶体及其关联元件组成。晶体与电容器 C₁ 和 C_C 构成振荡器反馈回路中的选频 pi 网络。pi 滤波器能在所需的振荡器频率处进行 180° 相移。

振荡器的起振条件

振荡器是一个反馈电路，用于启动和维持稳定的振荡。从理论上讲，振荡器起振的反馈条件是环路具有统一的增益和零度相移。反馈回路中的晶体是一种无源元件，会产生相关损耗。有源支路提供的负电阻必须大于晶体的等效串联电阻 (ESR)，振荡器才能工作。晶体损耗是晶体 ESR、振荡器频率以及电路并联电容和负载电容的函数。晶体的 ESR 可在其数据表中找到。振荡器的负电阻应至少是 ESR 的五倍。

振荡器起振的另一种方法是考虑其跨导（g_m），单位为毫安/伏 (mA/V)。这种情况下，反相器的增益必须超过反馈回路的损耗。振荡器环路增益的理论最小值为 1，但这并非实际设计时的限制值。实际上，放大器的增益裕度应为最严重情况下临界增益 (g_mcrit) 的五倍。g_mcrit 是振荡器维持稳定振荡所需的最小跨导。临界增益是 ESR、频率和电容的函数，表达式为：g_mcrit = 4 × ESR × (2pF)² × (C₀ + C_L)²。

振荡器的跨导可在 MCU 的数据手册中找到。

作为最严重情况下的临界增益函数，Gmcrit-Max 使用相同的公式，但输入的是数据表中每个晶体参数的最大值。如果振荡器的增益大于 Gmcrit-Max 的五倍，则可确保在任何条件下都能正常工作。

起振性能的评估依据是：振荡器在电路可能遭遇到的所有环境条件下的持续起振运行能力，以及其延迟时间，即起振所需的时间（图 2）。

图 2：随着 V_DD 增加，振荡器在达到单位增益时起振。从 V_DD 大于零伏开始测量起振时间，直到振荡器在晶体频率下稳定工作。（图片来源：ECS Inc.）

晶体的驱动功率水平

流经晶体的过电流会导致晶体产生耗散功率。驱动功率水平是通过晶体的电流有效值的平方与 ESR 的乘积。晶体有最大标称驱动功率水平，通常以毫瓦 (mW) 或微瓦 (μW) 为单位。超过最大驱动功率水平会导致运行不稳定、模态跳变、产品寿命缩短甚至晶体失效。此外，如果驱动功率水平过低，振荡器可能无法起振。

可通过在晶体上串联一个电阻来控制驱动功率水平。图 1 中的电阻 R_S 就是一个很好的例子；该电阻会控制流经晶体的电流，并使驱动功率水平保持在规定范围内。

晶体的工作模式

晶体元件的尺寸决定了其基频。随着晶体元件厚度的减小，其频率也会增大。某些情况下，晶体会因为太薄和太脆而无法可靠运行。这个极限频率约为 50 兆赫 (MHz)。

在较高频下工作的晶体振荡器，采用专门用于凸显晶体基频奇次谐波的晶体。这些谐波模式频率被称为泛音。泛音晶体以谐波数来命名，如第三、第五或第七泛音模式。这类晶体具有与基频晶体不同的结构特性。在泛音振荡器设计中可引入 LC 振荡回路等电路元件，以抑制基频振荡，确保电路在所需的泛音频率下稳定工作。

频率公差和稳定性

频率公差是指振荡器与设计频率之间的测量偏差。公差通常以百万分之几 (ppm) 为单位，且通常在 +25°C 的温度下测量。

频率稳定性用来衡量振荡器频率随时间或在给定温度范围内的变化程度。频率稳定性的单位也是 ppm。影响晶体稳定性的因素有很多，包括温度、工作电压和老化（即晶体频率随时间缓慢变化）。老化程度以 ppm 每年为单位。过度驱动晶体也会降低其稳定性。

需要说明的是，1 ppm 意味着 1 MHz 晶体的频率可能变化 1 赫兹 (Hz)，相当于 0.0001%。例如，公差为 30 ppm 的 8 MHz 晶体的频率与其标称频率相比可能会有 240 Hz 的变化。

通过 AEC-Q200 认证

与其他用于电动汽车的无源器件一样，晶体也必须符合该环境的严苛要求，包括 AEC-Q200 抗应力全球标准。如果零件通过了严苛的应力测试，则可认为这些零件获得了“AEC-Q200”认证，具体测试包括温度、热冲击、耐湿性、尺寸公差、耐溶剂性、机械冲击、振动、静电放电、可焊性和电路板弯曲等测试。

晶体的选型工具

使用 ECS Inc. 的汽车级晶体选型工具，可实现汽车级晶体与 STMicroelectronics 的 SPC5 和 STM8 车规级 MCU 的精准匹配。

打开选型工具，设计人员会看到 SPC5 和 STM8 MCU 以及 ECS 车规级晶体清单，以及晶体振荡器的参数显示窗口（图 3）。

图 3：汽车级晶体选型工具的主页显示 MCU 和晶体清单。（图片来源：ECS Inc.）

STMicro MCU 列于蓝色部分。晶体在白色部分列出。选型过程从 MCU 选择开始，例如 MCU 清单顶部的 SPC56AP（图 4）。

图 4：选择 SPC56AP MCU 后，将显示兼容晶体及其相关设计参数。(图片来源：ECS Inc.）

选择 SPC56AP MCU 时，选型工具会更新晶体清单，只显示与该 MCU 兼容的晶体及其相关设计参数。此时，设计人员就可选择所需的参数。例如，假设需要 8 MHz 的时钟频率和 23.42 的最高增益裕度。做出这些选择后，晶体选型就只剩下一个零件了，即 ECS-80-8-30Q-VY-TR 晶体（图 5）。

图 5：选择所需的晶体参数，精确定位 ECS-80-8-30Q-VY-TR 晶体。(图片来源：ECS Inc.）

这款 8 MHz 晶体设计用于在 8 皮法 (pF) 容性负载下工作，容差为 30 ppm。与 SPC56AP 配合使用时，其 gmcrit 为 0.17 mA/V，gm 为 4 mA/V，实际增益裕度为 23.42。根据 Gmcrit-Max 计算，最严重情况下的增益裕度为 5。

另一个示例是使用 STM8AF 处理器，其时钟频率为 24 MHz。选择该输入时会得到 ECS-240-8-33B2Q-CVY-TR3（图 6），这是一款 24 MHz 晶体，可在 8 pF 容性负载和 10 ppm 频率容差下工作。

图 6：为工作频率为 24 MHz 的 STM8AF 处理器选择晶振的结果是 ECS-240-8-33B2Q-CVY-TR3。（图片来源：ECS Inc.）

选型指南中的所有晶体均符合 AEC-200 标准，工作温度范围为 -40 至 150°C。

结语

汽车 MCU 的工作环境极具挑战性，必须选择合适的时钟晶体提供计时支撑。选择时钟晶体需要了解多个关键参数，包括频率、温度范围、容差、稳定性、ESR 和跨导，以确保精确的定时和稳定性。ECS Inc. 提供了一种工具，有助于设计人员从与 STM8x 和 SPC5x 系列 MCU 匹配的各种 AEC-Q200 认证晶体中进行选择。