설계자를 위한 kHz 수정 선택 안내서

시간을 측정하고 유지하는 제품은 사실상 어느 곳에서나 존재하며 이는 현대 사회의 한 단면을 보여줍니다. 시간을 정확하게 측정하려면 정밀한 주파수로 진동하는 수정 진동자와 같은 장치와 이를 제어하는 집적 회로(IC)가 필요합니다. 패키지형 클록 모듈에는 일반적으로 수정과 제어 IC가 모두 포함되어 있습니다. 킬로헤르츠(kHz) ~ 메가헤르츠(MHz) 주파수 범위에 맞게 전자 발진기 회로를 제조할 수 있습니다.

kHz 수정은 독립형으로 판매되거나 수정 발진기(CXO), 디지털 온도 보정형 수정 발진기(DTCXO), 실시간 클록(RTC) 등 다른 제품에 통합될 수 있습니다.

kHz 수정 선택에 영향을 미치는 요인

응용 제품에 적합한 kHz 수정을 선택하기 위해 고려해야 할 가장 중요한 요소는 크기와 필요한 주파수입니다. 하지만 올바른 회로를 설계하려면 몇 가지 다른 파라미터도 필수적입니다.

주요 파라미터는 다음과 같습니다.

• 주파수 허용 오차 범위, 안전성 및 에이징
• 부하 정전 용량(CL)
• 등가 직렬 저항(ESR)
• 구동 레벨(DL)
• 작동 온도

kHz 수정은 일반적으로 필요한 파라미터 값을 나열하는 응용 제품별 집적 회로(ASIC) 요구 사항과 함께 제공됩니다. ASIC 정보는 회로 설계를 위한 견고한 시작점을 제공합니다. 전자 회로의 소형화 추세로 부품의 크기와 고밀도 패킹이 수정의 특성과 성능에 영향을 미칠 수 있으므로 설계자는 위에 열거된 요소에 더욱 주의를 기울여야 합니다. 하지만 포토 리소그래피 제조 공정은 수정 발진기 회로의 소형화로 인해 효율적인 작동에 필요한 파라미터가 영향을 받지 않도록 방지합니다.

주파수 허용 오차 범위, 안전성 및 에이징

수정은 특정 주파수를 발생하지만, 제조 공정 중이나 일상적인 작동 중 표면에서 발생하는 스트레인으로 인해 편차가 발생할 수 있습니다. 특정된 주파수 값의 변화는 주파수 허용 오차 범위, 주파수 안정성, 에이징의 세 가지 파라미터를 평가하여 합산할 수 있습니다.

주파수 허용 오차 범위는 +25°C에서 수정의 실제 주파수와 공칭 주파수의 차이로 정의됩니다. 주파수 안정성은 설정된 온도 범위에서 발생할 수 있는 최대 온도 기반 주파수 변화입니다. 수정의 정확도를 높이려면 온도에 따른 주파수 변화(그림 1)를 고려하고 그에 따라 보정되는 kHz XO를 사용하는 것이 좋습니다. 마지막으로 에이징이란 시간에 따른 주파수 변동을 말합니다. 밀봉 처리할 경우 에이징 영향이 감소되지만, 크기가 커질 수 있습니다.

그림 1: 발진기 주파수는 온도에 따라 변화하며, 특히 극한 환경에서 사용되는 응용 제품을 선택할 때 이러한 점을 고려해야 합니다. (이미지 출처: Epson, IEEE 제공)

부하 정전 용량(CL)

수정의 두 단자 사이의 정전 용량을 부하 정전 용량이라고 합니다. 설계자는 주파수 변동을 일으킬 수 있는 외부 표유 정전 용량을 고려해야 합니다.

특히, 정전 용량 변화에 더 민감한, 물리적으로 더 작은 수정을 사용할 경우 CL과 회로의 정전 용량 간 불일치에 주의해야 합니다. 또한 CL이 낮은 수정은 특히 주파수에 민감합니다. 좁은 공간에 적합하도록 더 작은 회로를 설계해야 할 경우 설계 엔지니어는 일반적으로 CL이 큰 수정을 선택합니다.

구동 레벨(DL)

DL은 구조적 손상을 최소화하면서 일정한 진동을 유지하는 데 필요한 전류의 양입니다. 주파수의 신뢰도 하락이나 조기 고장을 방지하려면 주어진 회로의 구동 레벨을 충족하거나 초과하는 DL을 가진 수정을 선택하는 것이 좋습니다.

작동 온도

온도는 명시된 주파수 안정성 수치 이상으로 주파수에 영향을 미칩니다. 설계자는 전체 회로의 작동 온도를 염두에 두어야 하지만, 영역에 따라 더 쉽게 가열되는 부분이 있을 수 있으므로 회로에서 수정의 위치도 고려해야 합니다. 또한 회로와 수정이 작을수록 부품이 더 밀집되므로 전체 시스템에서 더 많은 열이 발생합니다. 이러한 경우 DTCXO 또는 RTC 제품과 같이 다양한 온도에 맞게 보정된 수정을 사용하는 것이 가장 좋습니다. DTCXO 및 RTC 모듈은 콤팩트한 설계나 높은 안정성 또는 저전력이 우선시되는 경우에 잘 작동합니다.

kHz 수정 및 관련 모듈

Epson은 여러 kHz 수정과 DTCXO 및 RTC 모듈을 제조합니다. 아래는 그 일부에 대한 사양 및 요약 정보입니다.

FC3215AN 계열은 낮은 35kΩ ESR을 가지며 콤팩트한 패키지로 제공되는 32.768kHz 수정이며, 휴대용 전자 제품 및 공간 제약이 있는 응용 제품에 적합합니다. FC3215AN 계열은 무선 모듈, IoT, 의료, 산업, 보안 감시 장비, 스마트 계측기, 소비자 가전 제품 및 저전력 MCU 응용 제품과 같은 다양한 제품에 이상적입니다. 이 계열은 -40°C ~ +105°C의 확장된 작동 온도 범위를 지원하며 표준 핀아웃이 있는 3.2mm x 1.5mm x 0.9mm 패키지로 제공됩니다.

FC2012AN 계열 32.768kHz 수정은 FC3215AN 계열과 유사한 사양을 공유하며 표준 핀아웃을 가진 더 작은 2.05mm x 1.2mm x 0.6mm 패키지로 제공됩니다. 마찬가지로 FC2012SN 계열 수정(그림 2)은 IoT, 의료, 산업, 보안, 스마트 계측기 등 다양한 응용 제품(웨어러블, MCU, 무선 모듈 등)에 적합합니다.

그림 2: Epson FC2012SN 계열은 -40°C ~ +105°C 온도 범위를 지원하며 콤팩트 2.05mm x 1.2mm 패키지로 제공됩니다. (이미지 출처: Epson)

Epson의 RX8901CE 및 RX4901CE 실시간 클록은 스마트 계량기, 보안 장비 및 스마트 조명 응용 제품에 이상적인 저전력 소비의 다목적 고정밀 모듈입니다. 최대 3개의 이벤트 입력이 있는 통합 시스템을 사용하여 MCU가 절전 모드에 있는 동안 이벤트를 감지하고 이벤트의 시간 스탬프를 기록할 수 있으므로 시스템 전력 소비를 줄여 배터리 수명을 늘릴 수 있습니다. 이 모듈은 FIFO 또는 직접 모드에서 32개의 이벤트에 대한 시간 스탬프를 기록할 수 있습니다. 이 제품은 3V 공급에서 240nA만 소비하며 외부 다이오드 및 손실이 없는 내장형 전원 공급 장치 스위칭 회로가 특징입니다. 이 모듈은 최소 1/1024초까지 시간 분해능을 제공하며 -40°C ~ +105°C의 전체 작동 온도 범위에서 안정적입니다. RX8901CE에는 I²C 인터페이스가 있으며 RX4901CE는 3선 또는 4선 SPI와 함께 사용할 수 있습니다.

RX8804 계열 RTC(그림 3)는 DTCXO 기술을 사용하여 -40°C ~ +85°C 또는 -40°C ~ +105°C의 범위에서 각각 ±3.4ppm 또는 ±8ppm의 정확도를 실현합니다.

그림 3: Epson RX8804 시리즈 저전력 RTC는 폭넓은 온도 범위에서 높은 정확도를 제공합니다. (이미지 출처: Epson)

RX8804 계열은 매우 낮은 전력(통상 0.35µA)을 제공하고 3.2mm x 2.5mm x 1.0mm 표면 실장 세라믹 패키지로 제공되며 수정을 내장하고 있습니다.

마지막으로 Epson의 TG-3541CE 32.768kHz DTCXO는 IoT, 웨어러블, 모바일, 센서, GPS/GNSS, 수급 계량기, 디지털 건강 및 웰빙을 포함한 소비자 및 산업용 응용 분야에 적합한 정밀 주파수 레퍼런스 제품입니다. 특히 IoT 응용 제품의 경우 TG-3541CE의 정밀한 시간 정확도 덕분에, 이를 사용하는 장치의 절전 모드 시간을 훨씬 늘리고 절전 해제 시간을 줄임으로써 배터리 수명을 연장할 수 있습니다. 또한 이 독립형 DTCXO는 소프트웨어를 변경하지 않더라도 MCU 또는 RTC 타이밍을 상당히 개선함으로써 설계자는 시간과 자원을 절감할 수 있습니다. TG-3541CE는 소비 전력이 1.0µA에 불과한 저전력 제품으로, 3.2mm x 2.5mm x 1.0mm 표면 실장 세라믹 패키지로 제공됩니다.

결론

수정, 발진기, RTC, DTCXO는 주파수 제어 응용 제품에 필수적인 부품입니다. 무선 모듈, IoT 제품, 개인 의료 기기, 산업용 장비 등 Epson의 제품군은 응용 분야별 요구 사항을 충족하는 솔루션을 제공할 수 있습니다.