SPC5 및 STM8 자동차 MCU용 수정 선택하기

마이크로 컨트롤러 유닛(MCU)과 관련된 소프트웨어는 자동차의 성능을 지속적으로 향상시켜 더 스마트하고 안전하며 효율적인 차량을 구현하고 있습니다. MCU가 효과적으로 작동하려면 실시간 실행, 통신 프로토콜, 일반적인 시간 관리에 정확한 타이밍 소스가 필요합니다. 혹독한 운영 환경에도 불구하고, 정확하고 신뢰할 수 있는 시간 측정이 가능하며 비용 효율적이어야 합니다. 수정 발진기는 이러한 응용 분야에서 정확한 타이밍과 안정적인 작동을 보장하는 데 필수적입니다.

정확한 타이밍을 유지하려면, 최악의 자동차 환경에서 이처럼 중요한 역할을 수행할 수 있는 최적의 수정이 필요합니다. 이러한 환경에서는 타협의 여지가 거의 없기 때문입니다. 그러나 여전히 많은 엔지니어들이 수정 선택에 있어서의 세세한 고려 사항을 완전히 이해하지 못해, 제품의 수명 주기 동안 타이밍 오류 발생 가능성이 높아집니다. 선택 과정을 간소화하고 효율화하는 적절한 도구를 사용하여 이러한 오류 위험을 완화할 수 있습니다.

이 기사에서는 자동차 전자 시스템 설계자들이 직면하는 타이밍 문제에 대해 간략히 논의합니다. 그런 다음, AEC-Q200 인증을 받은 자동차 부품 공급업체인 ECS Inc.의 선택 도구를 소개하고, 이 도구를 사용하여 자동차용 MCU 타이밍에 사용되는 수정을 편리하게 선택 및 구현하는 방법을 설명합니다. STMicroelectronics의 SPC5x 및 STM8x 계열 MCU가 예로 사용됩니다.

수정 발진기

MCU는 내부 시계를 제공하여 작업 동기화, 내부 타이밍 생성, 인터럽트 트리거링, 실시간 운영 체제(RTOS)와 같은 기능을 구현하기 위해 타임베이스를 사용합니다. 시계 시간 기준은 온도와 시간에 걸쳐 정확성과 안정성을 보장하기 위해 사용되는 정밀한 수정 발진기입니다.

자동차용 MCU인 STMicroelectronics의 SPC5x 및 STM8x 계열은 내장형 발진기를 갖추고 있으며, 이 발진기에는 반전 증폭기와 피드백 저항기가 포함되어 있습니다. 인버터의 입력과 출력 사이에 연결된 피드백 저항기는 인버터가 선형 증폭기로 작동하도록 유지합니다. 공명 요소(예: 압전 수정 및 관련 회로)가 내부 인버터에 연결되어 발진기를 구성합니다(그림 1, 왼쪽).

그림 1: 외부 수정 공진기와 관련된 회로가 MCU의 내장 인버터와 피드백 저항기에 연결될 때 클록 발진기가 생성됩니다(왼쪽). 수정은 직렬 공진과 병렬 공진을 모두 갖습니다(오른쪽). (이미지 출처: ECS Inc.)

수정의 저항기, 인덕터, 및 커패시터(RLC) 등가 회로 모델은 인덕터(L₁)와 커패시터(C₁)가 직렬로 연결된 저항기(R₁)로 구성됩니다. 계열 구성 요소와 병렬로 연결된 병렬 커패시터(C₀)는 인버터, 수정 패키지 및 관련 배선의 입력 및 출력 정전 용량을 나타냅니다. 계열 분기는 수정의 직렬 공진 주파수(F_s)를 결정합니다. 병렬 정전 용량 CP는 직렬 유도 용량 LS에 반응해 병렬 공진 주파수(F_a)를 일으킵니다. 반응도 그래프는 두 개의 공진 현상(그림 1, 오른쪽)을 모두 보여줍니다. 직렬 공진은 항상 병렬 공진보다 낮은 주파수에서 발생합니다.

일반적으로 발진기는 직렬 공진과 병렬 공진 사이의 주파수로 설정되며, 이 때 용량성 부하를 사용하여 발진기의 주파수를 조정합니다. 수정의 지정된 주파수는 정확한 부하 정전 용량과 연관되어 있습니다. 수정의 지정된 부하보다 큰 부하 정전 용량은 발진기 주파수를 감소시키고, 낮은 부하 정전 용량은 주파수를 증가시킵니다.

그림 1의 발진기는 Pierce 발진기 구성입니다. MCU의 내부 인버터인 액티브 브랜치와 수정 및 관련 부품으로 구성된 패시브 브랜치의 두 가지로 구성됩니다. 수정과 커패시터 C₁ 및 C₂는 발진기의 피드백 루프에서 주파수 선택적 pi 네트워크를 형성합니다. pi 필터는 원하는 발진기 주파수에서 180° 위상 변이를 제공합니다.

발진기 시작 조건

발진기는 안정적인 진동을 시작하고 유지하는 피드백 회로입니다. 발진기 시동을 위한 이론적 피드백 조건은 루프가 단위 이득과 0도의 위상 편차를 갖는 것입니다. 피드백 루프의 수정은 관련 손실이 있는 수동적 요소입니다. 발진기가 작동하려면 활성 분기가 수정의 등가 직렬 저항(ESR)보다 큰 음의 저항을 공급해야 합니다. 수정 손실은 수정의 ESR, 발진기 주파수, 회로의 션트 및 부하 정전 용량의 함수입니다. 수정의 ESR은 데이터시트에서 확인할 수 있으며 발진기의 음의 저항은 ESR의 5배 이상이어야 합니다.

발진기 시작 조건에 대한 또 다른 접근 방식은 볼트당 밀리암페어(mA/V) 단위로 측정되는 트랜스콘덕턴스(g_m)를 고려하는 것입니다. 이 경우 인버터의 이득이 피드백 루프의 손실을 초과해야 합니다. 이론상 최소값은 루프 임계 이득 1이지만 이는 실제 한계는 아닙니다. 실제로 앰프의 이득은 최악의 경우 임계 이득(g_mcrit)의 5배에 달하는 이득 마진을 가져야 합니다. 이 g_mcrit는 안정적인 발진을 유지하는 데 필요한 발진기의 최소 트랜스콘덕턴스입니다. 임계 이득은 ESR, 주파수 및 정전 용량의 함수이며, 공식에 따라 g_mcrit = 4 × ESR × (2pF)² × (C₀ + C_L^)2로 계산됩니다.

발진기의 트랜스콘덕턴스는 MCU의 데이터시트에서 확인할 수 있습니다.

최악의 경우 임계 이득 함수인 Gmcrit-Max는 동일한 방정식을 사용하지만 데이터시트에서 각 수정 파라미터의 최대값을 입력합니다. 발진기의 이득이 Gmcrit-Max의 5배 이상이면 모든 조건에서 적절한 작동을 보장합니다.

시작 성능은 회로에 발생할 것으로 예상되는 모든 환경 조건에서 발진기가 일관되게 작동을 시작하는 능력과 시작에 걸리는 시간인 지연 시간을 기준으로 평가합니다(그림 2).

그림 2: _VDD가 증가함에 따라 단위 이득에 도달하면 발진기가 시작됩니다. 시작 시간은_VDD가 0V를 벗어난 시점부터 발진기가 수정 주파수에서 안정화될 때까지 측정됩니다. (이미지 출처: ECS Inc.)

수정 드라이브 레벨

수정은 전류가 흐르기 때문에 전력을 발산합니다. 드라이브 전력 레벨은 수정을 통과하는 RMS 전류의 제곱에 ESR을 곱한 값입니다. 수정에는 지정된 최대 드라이브 레벨이 있으며, 일반적으로 밀리 와트(mW) 또는 마이크로 와트(μW)로 표시됩니다. 최대 드라이브 레벨을 초과하면 불안정한 작동, 모드 점프, 제품 수명 단축 또는 수정 고장이 발생할 수 있습니다. 또한 드라이브 레벨이 너무 낮으면 발진기가 시작되지 않을 수 있습니다.

수정에 저항을 직렬로 배치하여 드라이브 레벨을 제어할 수 있습니다. 그림 1의 저항기 R_S는 수정을 통과하는 전류를 제어하고 드라이브 레벨을 사양 내로 유지하는 저항의 예입니다.

수정 작동 모드

수정 요소의 치수에 따라 기본 주파수가 결정됩니다. 수정 요소의 두께가 감소함에 따라 주파수가 증가하며 어느 시점에서는 수정이 너무 얇고 깨지기 쉬워 안정적으로 작동하지 않습니다. 이 제한 주파수는 약 50메가헤르츠(MHz)입니다.

더 높은 주파수에서 작동하는 수정 발진기는 수정의 기본 주파수의 홀수 고조파를 강조하도록 설계된 수정을 사용합니다. 이러한 고조파 모드 주파수를 배진동이라고 합니다. 배진동 수정은 세 번째, 다섯 번째 또는 일곱 번째 배진동 모드와 같은 고조파 수로 지정됩니다. 이러한 수정은 기본 모드 수정과는 다른 구조를 가지고 있습니다. 배진동 발진기 설계에는 기본 주파수를 억제하고 원하는 배진동 주파수에서 작동하도록 하기 위해 L-C 탱크 회로와 같은 회로 소자를 통합할 수 있습니다.

주파수 허용 오차 및 안정성

주파수 허용 오차는 발진기의 설계 주파수에서 측정된 편차를 나타냅니다. 허용 오차는 일반적으로 +25°C의 온도에서 백만 분의 1(ppm) 단위로 측정됩니다.

주파수 안정성은 시간 경과에 따라 또는 주어진 온도 범위 내에서 발진기의 주파수가 얼마나 변화하는지를 측정하며 그 단위는 ppm입니다. 온도, 작동 전압, 시간이 지남에 따라 수정의 주파수가 느리게 변하는 노화 등 다양한 요인이 수정 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다. 노화는 연간 ppm 단위로 측정됩니다. 수정을 과도하게 사용하면 안정성이 저하될 수도 있습니다.

명확하게 설명하자면, 1ppm은 1MHz 수정의 주파수가 1헤르츠(Hz), 즉 0.0001%에 해당할 수 있다는 의미입니다. 예를 들어, 허용 오차가 30ppm인 8MHz 수정은 공칭 주파수에서 240Hz까지 주파수가 달라질 수 있습니다.

AEC-Q200 품질 보증

수정은 전기 자동차에 설치하기 위한 다른 수동 소자와 마찬가지로 스트레스 저항에 대한 AEC-Q200 글로벌 표준을 포함하여 해당 환경에서 요구하는 엄격한 요건을 충족해야 합니다. 부품은 온도, 열 충격, 내습성, 치수 공차, 용제에 대한 내성, 기계적 충격, 진동, 정전기 방전, 납땜성, 기판 굴곡 등에 대한 엄격한 응력 테스트를 통과한 경우 'AEC-Q200 인증'을 받은 것으로 간주됩니다.

수정 선택 도구

ECS Inc. 자동차용 수정 선택기 도구는 자동차용 수정을 STMicroelectronics의 SPC5 및 STM8 자동차용 인증 MCU와 간단하게 매칭할 수 있는 방법을 제공합니다.

선택기를 열면 설계자에게 수정 발진기 파라미터 표시와 함께 SPC5 및 STM8 MCU와 ECS 자동차용 인증 수정 목록이 제공됩니다(그림 3).

그림 3: 자동차용 수정 선택기 도구의 홈 페이지에는 MCU 및 수정 목록이 표시됩니다. (이미지 출처: ECS Inc.)

STMicro MCU는 파란색 영역에 나열되어 있고 수정은 흰색 영역에 표시되어 있습니다. 이 프로세스는 MCU 목록의 맨 위에 있는 SPC56AP와 같은 MCU를 선택하는 것으로 시작됩니다(그림 4).

그림 4: SPC56AP MCU를 선택하면 호환되는 수정과 관련 설계 파라미터가 표시됩니다. (이미지 출처: ECS Inc.)

SPC56AP MCU를 선택하면 도구가 수정 목록을 업데이트하여 해당 MCU와 호환되는 수정만 관련 설계 파라미터와 함께 표시합니다. 이 시점에서 설계자는 원하는 매개 변수를 선택합니다. 예를 들어 클록 주파수가 8MHz이고 최고 이득 마진이 23.42라고 가정해 보겠습니다. 이러한 선택을 하면 수정 선택이 단일 부품인 ECS-80-8-30Q-VY-TR 수정으로 줄어듭니다(그림 5).

그림 5: 원하는 수정 파라미터를 선택하면 ECS-80-8-30Q-VY-TR 수정이 정확히 지정됩니다. (이미지 출처: ECS Inc.)

이 8MHz 수정은 8피코패럿(pF) 정전 용량 부하에서 작동하도록 설계되었으며 허용 오차는 30ppm입니다. SPC56AP와 함께 사용하면 gmcrit이 0.17mA/V, gm이 4mA/V로 실제 이득 마진이 23.42가 됩니다. Gmcrit-Max를 기준으로 한 최악의 수익률 마진은 5입니다.

또 다른 예는 24MHz의 클럭 주파수에서 작동하는 STM8AF 프로세서를 사용합니다. 이러한 입력 선택으로 8pF 정전 용량 부하와 10ppm의 주파수 오차로 작동하도록 설계된 24MHz 수정인 ECS-240-8-33B2Q-CVY-TR3(그림 6)이 탄생합니다.

그림 6: 24MHz에서 작동하는 STM8AF 프로세서용 수정을 선택하면 ECS-240-8-33B2Q-CVY-TR3이 됩니다. (이미지 출처: ECS Inc.)

선택 가이드의 모든 수정은 -40°C ~ 150°C의 작동 온도 범위에서 AEC-200 인증을 받았습니다.

결론

자동차용 MCU는 까다로운 환경에서 작동하므로 적절한 클록 수정이 지원되어야 합니다. 클록 수정을 선택하려면 정밀한 타이밍과 안정성을 보장하기 위해 주파수, 온도 범위, 허용 오차, 안정성, ESR, 트랜스콘덕턴스 등 주요 파라미터에 대한 이해가 필요합니다. ECS Inc.는 STM8x 및 SPC5x 계열 MCU와 일치하는 광범위한 AEC-Q200 인증 수정 중에서 선택할 수 있는 툴을 제공합니다.