SPC5およびSTM8車載MCU用水晶振動子の選択

マイクロコントローラユニット（MCU）とその関連ソフトウェアは、自動車をよりスマート、安全、かつ効率的に進化させ続けています。MCUが効果的であるためには、リアルタイム実行、通信プロトコル、および一般的なタイムキーピングのための正確なタイミングソースが必要です。過酷な動作環境にもかかわらず、これらの時間測定は正確で信頼性が高く、費用対効果に優れていなければなりません。水晶発振器は、このようなアプリケーションで正確なタイミングと安定した動作を確保する上で非常に重要です。

正確なタイミングを維持するには、妥協の余地がほとんどない過酷な車載環境において、この重要な役割に適した水晶振動子が必要です。それでも、水晶振動子の選択の難しさを熟知しているエンジニアは少ないため、製品の寿命を通じてタイミング誤差が発生する可能性が高まります。誤差のリスクは、選択プロセスを効率化・簡素化する適切なツールを使用することで軽減できます。

この記事では、車載電子システムの設計者が直面するタイミングの課題について簡単に説明します。次に、AEC-Q200認定の車載部品サプライヤであるECS Inc.の選択ツールを取り上げ、このツールが、車載MCUタイミング用水晶振動子の選択と実装をいかに容易にするかをご紹介します。STMicroelectronicsのSPC5xシリーズとSTM8xシリーズのMCUを例として使用しています。

水晶発振器

MCUは、動作の同期、内部タイミングの生成、割り込みのトリガ、リアルタイムオペレーティングシステムなどの機能の実装のために、タイムベースを使用して内部クロックを提供します。クロックタイムベースは、温度と時間に対する精度と安定性を保証するために使用される精密な水晶発振器です。

STMicroelectronicsのSPC5xシリーズやSTM8xシリーズなどの車載用MCUは、反転アンプと帰還抵抗を内蔵した発振器で設計されています。インバータの入力と出力の間に接続された帰還抵抗は、インバータをリニアアンプとして動作させます。圧電結晶とその関連回路などの共振素子が内部インバータに接続され、発振器が完成します（図1、左）。

図1：外部水晶共振子とその関連回路をMCUの内部インバータおよび帰還抵抗に接続すると、クロック発振器が作成されます（左）。水晶振動子には、直列共振と並列共振の両方があります（右）。（画像提供：ECS Inc.）

水晶振動子の抵抗、インダクタ、コンデンサ（RLC）等価回路モデルは、インダクタ（L₁）とコンデンサ（C₁）、抵抗（R₁）の直列で構成されます。直列部品と並列にシャントコンデンサ（C₀）があり、これはインバータの入出力静電容量、水晶振動子パッケージ、関連配線を表します。直列分岐は、水晶振動子の直列共振周波数（F_s）を決定します。並列コンデンサは直列分岐と共振し、水晶振動子の並列または反共振周波数（F_a）が得られます。リアクタンスプロットは、両方の共振を示しています（図1、右）。直列共振は、常に並列共振よりも低い周波数で発生します。

一般的に、発振器は直列共振と並列共振の間の周波数に設定され、発振器の周波数を調整するために容量性負荷が使用されます。水晶振動子の指定周波数は、正確な負荷容量と関連しています。負荷容量が水晶振動子の規定負荷より大きいと発振器周波数は下がり、負荷容量が小さいと発振器周波数は上がります。

図1の発振器は、ピアース発振器です。この発振器は、MCUの内部インバータであるアクティブブランチと、水晶振動子および関連部品で構成されるパッシブブランチの2つのブランチで構成されています。水晶振動子とコンデンサC₁およびC₂は、発振器のフィードバックループに周波数選択的なpiネットワークを形成します。piフィルタは、希望の発振周波数で180°の位相シフトを提供します。

発振器の起動条件

発振器は、安定した発振を開始し、持続させる帰還回路です。発振器起動時の理論的なフィードバック条件は、ループゲインがユニティで、位相シフトがゼロ度であることです。フィードバックループの水晶振動子は受動素子で、関連損失があります。発振器が機能するためには、アクティブブランチは水晶振動子の等価直列抵抗（ESR）よりも大きな負性抵抗を供給しなければなりません。水晶振動子の損失は、水晶振動子のESR、発振器周波数、回路のシャント容量と負荷容量に依存します。水晶振動子のESRはデータシートで確認できます。発振器の負性抵抗は、ESRの少なくとも5倍でなければなりません。

発振器の起動条件に対するもう1つのアプローチは、ミリアンペア/ボルト（mA/V）で測定される相互コンダクタンス（g_m）を考慮することです。この場合、インバータのゲインがフィードバックループの損失を上回らなければなりません。理論的な最小値はループ臨界ゲインの1ですが、これは実用上の限界ではありません。実際には、アンプのゲインは、ワーストケース臨界ゲイン（g_mcrit）の5倍のゲインマージンを確保する必要があります。g_mcritは、安定した発振を維持するために必要な発振器の最小相互コンダクタンスです。臨界ゲインは、ESR、周波数、および容量の関数であり、次の式で表されます：g_mcrit = 4 × ESR × (2pF)² × (C₀ + C_L)²。

発振器の相互コンダクタンスは、MCUのデータシートに記載されています。

ワーストケース臨界ゲイン関数として、Gmcrit-Maxは同じ式を使用しますが、データシートから各水晶振動子パラメータの最大値を入力します。発振器のゲインをGmcrit-Maxの5倍以上にすることで、あらゆる条件下で適切な動作が保証されます。

起動性能は、回路で予想されるあらゆる環境条件下で、発振器が安定して動作を開始できる能力と、起動にかかる時間であるレイテンシに基づいて評価されます（図2）。

図2：V_DDが上昇し、ユニティゲインに達すると発振器が起動します。起動時間は、V_DDがゼロボルトを離れてから発振器が水晶振動子の周波数で安定するまでの時間を測定したものです。（画像提供：ECS Inc.）

水晶振動子の駆動レベル

水晶振動子は、水晶振動子を流れる電流によって電力を消費します。駆動電力レベルは、水晶振動子を流れるRMS電流の2乗にESRを掛けた積です。水晶振動子には指定された最大駆動レベルがあり、通常はミリワット（mW）またはマイクロワット（μW）で示されます。最大駆動レベルを超えると、動作不安定、モードジャンプ、製品寿命の短縮、または水晶振動子の故障が発生する可能性があります。また、駆動レベルが低すぎると、発振器が起動しないことがあります。

駆動レベルは、水晶振動子と直列に抵抗を配置することで制御できます。図1の抵抗R_Sはその1例で、水晶振動子を流れる電流を制御し、駆動レベルを仕様範囲内に維持します。

水晶振動子の動作モード

水晶素子の寸法が基本周波数を決定します。水晶素子の厚さが薄くなると、その周波数は高くなります。ある時点で、水晶は薄すぎて壊れやすくなり、確実に動作させることができなくなります。この限界周波数は約50メガヘルツ（MHz）です。

より高い周波数で動作する水晶発振器は、水晶の基本周波数の奇数次高調波を強調するように設計された水晶を使用します。これらの高調波モードの周波数はオーバートーンと呼ばれます。オーバートーン水晶振動子は、3次、5次、7次オーバートーンモードなど、高調波次数で指定されます。これらの水晶振動子は、基本モード水晶振動子とは異なる構造を持っています。オーバートーン発振器の設計には、基本周波数を抑制し、所望のオーバートーン周波数での動作を確保するために、L-Cタンク回路などの回路要素を組み込むことができます。

周波数許容誤差と安定性

周波数許容誤差とは、発振器の設計周波数からの測定偏差を指します。許容誤差は通常、100万分の1（ppm）単位で、+25°Cの温度で測定されます。

周波数安定性は、発振器の周波数が時間経過または所定の温度範囲内でどの程度変化するかを測定します。また、ppmで測定されます。水晶振動子の安定性には、温度、動作電圧、経時変化（時間とともに水晶振動子の周波数が徐々に変化する現象）など、数多くの要因が影響します。経時変化はppm/年で測定されます。水晶振動子を過駆動すると、その安定性が低下する可能性があります。

1ppmとは、1MHzの水晶振動子の周波数が1ヘルツ（Hz）変動する可能性があることを意味し、これは0.0001%に相当します。たとえば、許容誤差が30ppmの8MHz水晶振動子は、周波数が公称周波数から240Hz変動する可能性があります。

AEC-Q200認定

水晶振動子は、電気自動車に搭載されることを意図した他の受動デバイスと同様に、ストレス耐性に関するグローバル規格AEC-Q200など、その環境から課される厳しい要件に適合する必要があります。温度、熱衝撃、耐湿性、寸法公差、耐溶剤性、機械的衝撃、振動、静電気放電、はんだ付け性、基板たわみなどの厳しい一連のストレステストに合格した部品が「AEC-Q200認定済み」とみなされます。

水晶振動子選択ツール

ECS Inc.の車載用水晶振動子選択ツールは、車載グレードの水晶振動子を、STMicroelectronicsのSPC5およびSTM8車載用認定MCUに適合させるための簡単な方法を提供します。

選択ツールを開くと、水晶発振器のパラメータ表示とともに、SPC5およびSTM8 MCU、ならびにECS車載用認定水晶振動子のリストが表示されます（図3）。

図3：車載用水晶振動子選択ツールのホームページには、MCUと水晶振動子のリストが表示されます。（画像提供：ECS Inc.）

STMicroのMCUは青い部分にリストされています。水晶振動子は白い部分に表示されています。このプロセスは、MCUリストの最上位にあるSPC56APなどのMCUを選択することから始まります（図4）。

図4：SPC56AP MCUを選択すると、適合する水晶振動子とそれに関連する設計パラメータが表示されます。（画像提供：ECS Inc.）

SPC56AP MCUを選択すると、ツールは水晶振動子リストを更新し、そのMCUに適合する水晶振動子のみを、関連する設計パラメータとともに表示します。この時点で、設計者は希望するパラメータを選択します。たとえば、クロック周波数8MHz、最高のゲインマージン23.42を希望するとします。これらの選択を行うことで、水晶振動子の選択はECS-80-8-30Q-VY-TR水晶振動子1つに絞られます（図5）。

図5：希望する水晶振動子のパラメータを選択すると、ECS-80-8-30Q-VY-TR水晶振動子がピンポイントで表示されます。（画像提供：ECS Inc.）

この8MHz水晶振動子は、8ピコファラッド（pF）の容量性負荷で動作するように設計されており、許容誤差は30ppmです。SPC56APと組み合わせて使用すると、gmcritは0.17mA/V、gmは4mA/Vとなり、実際のゲインマージンは23.42となります。Gmcrit-Maxに基づくワーストケースのゲインマージンは5です。

もう1つの例として、クロック周波数24MHzで動作するSTM8AFプロセッサを使用します。この入力の選択により、8pFの容量性負荷と10ppmの周波数許容誤差で動作することを意図した24MHz水晶振動子ECS-240-8-33B2Q-CVY-TR3（図6）が得られます。

図6：24MHzで動作するSTM8AFプロセッサ用に水晶振動子を選択すると、ECS-240-8-33B2Q-CVY-TR3が得られます。（画像提供：ECS Inc.）

選択ガイドの水晶振動子はすべてAEC-200認定品で、動作温度範囲は-40～150°Cです。

まとめ

車載用MCUは厳しい環境で動作するため、適切なクロック水晶振動子でサポートする必要があります。クロック水晶振動子の選択には、正確なタイミングと安定性を確保するために、周波数、温度範囲、許容誤差、安定性、ESR、相互コンダクタンスなどの主要パラメータを理解する必要があります。ECS Inc.は、STM8xおよびSPC5xシリーズ MCUに適合する、幅広いAEC-Q200認定水晶振動子の中から容易に選択できるツールを提供しています。