DigiKey의 맞춤형 프로그래밍 SiTime MEMS 발진기

실리콘 MEMS(마이크로 전자 기계 시스템) 발진기는 응용 분야에서 더 높은 품질 표준을 충족하려는 설계자가 선택하는 타이밍 솔루션으로 점점 더 자리를 잡아가고 있습니다. 이 장치는 타이밍 정확도 향상 및 일찍 마모되지 않는 제품 개발을 지원할 뿐만 아니라 다양한 작동 조건을 처리할 수 있으며 배터리 수명이 길고 크기가 작습니다. 현재까지 SiTime은 실리콘 기반 타이밍 솔루션의 선도업체로 90%의 시장 점유율을 차지하고 있으며 10억 개가 훨씬 넘는 제품을 출하했습니다.

MEMS 발진기는 설계와 구성 덕분에 기존 수정 진동자 공진기보다 기본적으로 우수합니다. MEMS 발진기는 더욱 표준화되고 덜 복잡한 제조 공정을 도입하여 오염 가능성을 줄입니다. 결과적으로 백만 개당 불량 부품 수(DPPM) 및 평균 무고장 시간(MTBF)을 30배 개선하여 품질과 신뢰성을 향상시켰습니다. 또한 대부분의 환경 조건에서 훨씬 견고합니다. MEMS 발진기는 공진기와 발진기 회로 사이에 노출된 PCB 연결이 없고 발진기 회로가 전기적으로 잡음이 심한 조건에 최적화되어 있으므로 전자파 장해(EMI)에 덜 민감합니다. 또한 질량이 수정 공진기보다 수천 배 작으므로 충격과 진동의 영향을 훨씬 덜 받습니다. 유사한 설계 특징 덕분에 작동 온도와 기판 잡음에도 덜 민감합니다.

수정 공진기를 사용할 경우의 확실한 장점 한 가지는 MEMS 발진기보다 상당히 저렴하다는 것입니다. 이 이유만으로도 많은 사람들이 위에서 설명한 수많은 이점을 무시하고 수정을 선택할 수 있으며, 확실히 일부 응용 분야에는 최고 품질, 신뢰성, 견고성을 갖춘 부품이 필요하지 않기도 합니다. 하지만 부품의 초기 비용 이외의 다른 비용도 고려해야 합니다. 먼저, 수정 공진기는 올바른 공진기 선택을 넘어 저온 시동 장애, 수정 부정합, EMI 미준수 등의 일반적인 문제를 예방 및 해결하는 데 필요한 엔지니어링 작업이 더 많습니다. 반면 MEMS 발진기는 "플러그 앤 플레이" 방식으로 시스템 설계를 크게 간소화하므로 위에 언급한 문제들이 해당되지 않으며 시동이 보장됩니다. 둘째, MEMS 발진기는 실장 면적이 작고, 다중 부하를 구동할 수 있으며, 부하 커패시터가 필요 없어 기판 공간을 상당히 적게 사용하고 전체 부품 명세서(BOM) 비용이 적을 수 있습니다. 마지막으로, SiTime MEMS 발진기는 프로그래밍이 가능하므로 가용성이 높고 엔지니어가 더욱 유연하게 설계하여 출시 시간을 단축할 수 있습니다.

완전한 타이밍 솔루션 SiTime 발진기는 MEMS 공진기와 프로그래밍 가능한 CMOS IC(진동 회로, PLL(위상 고정 루프), 온도 보정, 전압 조정기 및 필터 포함)를 동일한 패키지로 결합합니다. 다른 공진 주파수를 얻기 위해 별도의 부품을 제조해야 하는 수정 공진기와 달리 MEMS 발진기는 현장 프로그래밍 가능 또는 "블랭크" 발진기의 배치를 제조한 다음 다른 구성으로 별도의 출력 주파수를 생성하도록 프로그래밍하여 만듭니다. 주파수 외에 공급 전압, 주파수 안정, 출력 구동 강도(즉, 상승/하강 시간) 등을 비롯한 여러 다른 파라미터도 구성할 수 있습니다. SiTime은 모든 발진기 유형(예: , TCXO, VCXO, DCXO, OCXO, SSXO) 및 저전력, 자동차, 러기드 등과 같은 여러 특수 분야에 적용되는 여러 발진기 계열을 생산합니다. 현재 수십 개의 발진기 계열을 선택할 수 있으며 수백 가지 블랭크 부품 번호를 주문 가능합니다. 이처럼 비교적 작은 블랭크 세트에서 수십억 개의 부품 번호가 생성될 수 있습니다.

예를 들어, 블랭크 부품 번호 SIT2001BI-S1-XXX-000.FP000은 산업 온도 범위의 SiT2001 표준 계열 SOT23 발진기입니다. 이 계열의 부품 번호 분류는 아래 그림 1에 나와 있습니다. 주파수는 소수 자릿수 6의 정확도로 1MHz ~ 110MHz 범위에서 선택할 수 있습니다! 이는 하나의 물리적 부품에서 총 109,000,001개의 주파수가 생성될 수 있음을 의미합니다. "기능 핀"에 대한 3개 옵션, "공급 전압"에 대한 6개 옵션, 주파수 안정성에 대한 3개 옵션 및 "출력 구동 강도"에 대한 9개 옵션까지 고려하면 이 하나의 블랭크 부품에서 나올 수 있는 부품 번호는 529억 7천 4백만 개도 가능합니다.

그림 1: 부품 번호 안내는 SiT2001B 계열 SiTime 발진기 규격서에서 발췌했습니다. (이미지 출처: SiTime)

이러한 블랭크 부품은 SiTime이 공장에서 리드 타임 3주 ~ 5주의 생산 규모로 프로그래밍할 수 있습니다. 지금까지 DigiKey는 이렇게 미리 프로그래밍된 부품을 SiTime에서 주문했고 각 계열에 대해 가장 널리 사용되는 발진기 구성으로 재고를 유지했습니다. 이 방식은 수정 공진기와 같은 프로그래밍 불가능 부품을 처리하는 방식과 차이가 없으며 표준 발진기 구성을 주문하는 고객에게도 적합합니다. 하지만 맞춤형 구성을 요구하는 고객의 경우 많은 최소 주문 수량으로 인해 3주 ~ 5주의 리드 타임을 대기해야 할 수 있습니다. 맞춤형 요청이 들어온 경우 해당 부품 번호는 DigiKey 카탈로그에 추가되지만 주문량이 거의 없어 대개 재고가 없습니다. 최근 집계에 따르면 DigiKey에서는 SiTime 발진기용으로 176,509개의 다른 부품 번호를 웹 사이트에 게시했지만 이 중 5,913개(3.35%에 불과)만 재고를 보유하고 있었습니다.

이런 문제를 해결하고 SiTime 발진기의 프로그램 가능성을 최대한 활용하기 위해 DigiKey는 최근에 SiTime 부품을 프로그래밍하기 위한 자동 프로그래밍 기계를 물류창고에 추가했습니다. 이 기계(그림 2)는 현재 8개의 프로그래밍 소켓을 사용하며 시간당 약 1,500개를 프로그래밍할 수 있습니다. 카탈로그에 있는 대부분의 부품 번호는 현재 최소 주문 수량 없이 불과 24시간 ~ 48시간의 리드 타임으로 주문할 수 있습니다! DigiKey는 공장에서 미리 프로그래밍된 부품이 아니라 SiTime의 블랭크 부품을 재고로 보유하고 주문에 맞게 프로그래밍합니다. 따라서 공장에서 프로그래밍해야 하는 특수 계열 일부만 제외하고 카탈로그에 있는 거의 모든 SiTime 발진기의 재고를 실제로 갖추게 되었다는 의미이기도 합니다. 달리 말하면, 맞춤형 프로그래밍으로 전환한 후 현재 DigiKey 시스템에는 SiTime 발진기의 99%가 재고로 확보되어 있으며 이는 3.35%에 불과했던 재고 수준과 대조적인 수치입니다.

SiTime 발진기의 주문 처리 프로세스는 변경되지 않았지만 맞춤형 주문은 이제 DigiKey TechForum의 SiTime 프로그래밍 가능 발진기 카테고리를 통해 제출해야 합니다. 요청이 제출되면 DigiKey의 응용 분야 엔지니어링 기술자 중 하나에게 즉시 이메일이 전송되며, 해당 기술자는 새 부품 번호를 확인하고 DigiKey 웹 사이트에 추가합니다.

그림 2: 블랭크 발진기를 프로그래밍 소켓 중 하나에 배치하고 있는 DigiKey 자동 프로그래밍 기계의 사진 (이미지 출처: DigiKey)

SiTime MEMS 발진기는 기존 타이밍 솔루션에 대한 경쟁력 있는 대안입니다. 더 나은 품질, 신뢰성 및 견고함을 갖추었을 뿐 아니라 프로그래밍 가능한 통합 설계로 엔지니어링 비용이 많이 들지 않고 기판 공간을 덜 사용하며 설계 유연성을 향상합니다. 폭넓은 발진기 제품군 모음을 포함하는 수백 가지 기본 부품 번호에서 고유한 구성의 수십억 개 부품 번호가 파생될 수 있습니다. 아직 이 기능을 완전히 활용하는 유통업체가 없어 표준 발진기 구성만 손쉽게 주문할 수 있습니다. 실제로 SiTime 발진기에 자동 프로그래밍 기계를 전용으로 사용하기 전에는 일반적이지 않은 맞춤형 구성의 경우 리드 타임이 상당했으며 대량으로만 구매할 수 있었습니다. 하지만 이제 DigiKey의 빠른 배송과 맞춤형 프로그래밍 기능을 통해 고객은 거의 모든 SiTime 발진기 구성을 원하는 수량으로 며칠 내에 받아 볼 수 있습니다!