Sélectionner des quartz pour les microcontrôleurs automobiles SPC5 et STM8

Les microcontrôleurs (MCU) et leurs logiciels associés contribuent à améliorer les automobiles, les rendant plus intelligentes, plus sûres et plus efficaces. Pour être efficaces, les microcontrôleurs ont besoin de sources de temporisation précises pour l'exécution en temps réel, les protocoles de communication et le suivi temporel général. Malgré l'environnement d'exploitation difficile, ces mesures de temps doivent être précises, fiables et rentables. Les oscillateurs à quartz sont essentiels pour garantir une temporisation précise et un fonctionnement stable dans de telles applications.

Le maintien d'une temporisation précise requiert des quartz qualifiés pour ce rôle essentiel dans les environnements automobiles les plus difficiles, où il n'y a guère de place pour le compromis. Cependant, peu d'ingénieurs maîtrisent les subtilités de la sélection des quartz, ce qui augmente la probabilité d'erreurs de temporisation tout au long de la durée de vie du produit. Le risque d'erreur peut être atténué à l'aide d'outils appropriés qui rationalisent et simplifient le processus de sélection.

Cet article aborde brièvement les problèmes de temporisation auxquels sont confrontés les concepteurs de systèmes électroniques automobiles. Il présente ensuite un outil de sélection d'ECS Inc., un fournisseur de composants automobiles qualifiés AEC-Q200, et montre comment il facilite la sélection et l'implémentation de quartz pour la temporisation des microcontrôleurs automobiles. Les microcontrôleurs séries SPC5x et STM8x de STMicroelectronics sont utilisés comme exemples.

Oscillateurs à quartz

Les microcontrôleurs utilisent une base de temps pour fournir des horloges internes afin de synchroniser les opérations, de générer une temporisation interne, de déclencher des interruptions et de mettre en œuvre des fonctionnalités telles que des systèmes d'exploitation en temps réel. La base de temps de l'horloge est un oscillateur à quartz précis utilisé pour garantir la précision et la stabilité en fonction de la température et du temps.

Les microcontrôleurs automobiles, tels que les séries SPC5x et STM8x de STMicroelectronics, sont conçus avec des oscillateurs intégrés contenant un amplificateur inverseur et une résistance de contre-réaction. La résistance de contre-réaction, connectée entre l'entrée et la sortie de l'onduleur, lui permet de fonctionner comme un amplificateur linéaire. Un élément résonant, tel qu'un quartz piézoélectrique et ses circuits associés, est connecté à l'onduleur interne pour compléter l'oscillateur (Figure 1, à gauche).

Figure 1 : Un oscillateur d'horloge est créé lorsqu'un résonateur à quartz externe et ses circuits associés sont connectés à l'onduleur interne et à la résistance de contre-réaction du microcontrôleur (à gauche) ; les quartz ont des résonances série et parallèle (à droite). (Source de l'image : ECS Inc.)

Le modèle de circuit équivalent RLC (résistance, inductance et condensateur) du quartz se compose d'une inductance (L₁) en série avec un condensateur (C₁) et une résistance (R₁). En parallèle avec les composants en série se trouve un condensateur shunt (C₀), représentant la capacité d'entrée et de sortie pour l'onduleur, le boîtier du quartz et le câblage associé. La dérivation série détermine la fréquence de résonance série (F_s) du quartz. Le condensateur parallèle résonne avec la dérivation série, produisant la fréquence parallèle ou d'anti-résonance (F_a) du quartz. Le graphique de réactance montre les deux résonances (Figure 1, à droite). La résonance série se produit toujours à une fréquence inférieure à la résonance parallèle.

En général, l'oscillateur est réglé sur une fréquence comprise entre les résonances série et parallèle, où une charge capacitive est utilisée pour ajuster la fréquence de l'oscillateur. La fréquence spécifiée du quartz est associée à une capacité de charge précise. Une capacité de charge supérieure à la charge spécifiée du quartz diminuera la fréquence de l'oscillateur, tandis qu'une capacité de charge inférieure l'augmentera.

L'oscillateur de la Figure 1 est une configuration d'oscillateur Pierce. Il est composé de deux dérivations : la dérivation active, qui est l'onduleur interne du microcontrôleur, et la dérivation passive qui se compose du quartz et de ses composants associés. Le quartz et les condensateurs C₁ et C₂ forment un réseau en pi sélectif en fréquence dans la boucle de rétroaction de l'oscillateur. Le filtre en pi fournit un déphasage de 180° à la fréquence d'oscillateur souhaitée.

Conditions pour le démarrage de l'oscillateur

L'oscillateur est un circuit de rétroaction qui initie et maintient une oscillation stable. Les conditions théoriques de rétroaction pour le démarrage de l'oscillateur exigent que la boucle ait un gain unité et un déphasage de zéro degré. Le quartz dans la boucle de rétroaction est un élément passif avec des pertes associées. La dérivation active doit fournir une résistance négative supérieure à la résistance série équivalente (ESR) du quartz pour que l'oscillateur fonctionne. Les pertes du quartz sont fonction de l'ESR du quartz, de la fréquence de l'oscillateur et des capacités de shunt et de charge du circuit. L'ESR du quartz est indiquée dans la fiche technique du quartz. La résistance négative de l'oscillateur doit être au moins cinq fois supérieure à la valeur ESR.

Une autre approche des conditions de démarrage de l'oscillateur consiste à prendre en compte sa transconductance (g_m), mesurée en milliampères par volt (mA/V). Dans ce cas, le gain de l'onduleur doit dépasser les pertes de la boucle de rétroaction. Le minimum théorique est un gain critique de boucle de un, bien qu'il ne s'agisse pas d'une limite pratique. En pratique, le gain de l'amplificateur doit résulter en une marge de gain égale à cinq fois le gain critique le plus défavorable (g_mcrit). La valeur g_mcrit est la transconductance minimale d'un oscillateur nécessaire pour maintenir une oscillation stable. Le gain critique est fonction de l'ESR, de la fréquence et de la capacité, selon l'équation : g_mcrit = 4 × ESR × (2pF)² × (C₀ + C_L)².

La transconductance de l'oscillateur est indiquée dans la fiche technique du microcontrôleur.

En tant que fonction de gain critique le plus défavorable, Gmcrit-Max utilise la même équation mais entre les valeurs maximum de chaque paramètre de quartz à partir de la fiche technique. Un gain d'oscillateur supérieur à cinq fois Gmcrit-Max garantit un fonctionnement correct dans toutes les conditions.

Les performances de démarrage sont évaluées sur la base de la capacité de l'oscillateur à initier son fonctionnement de manière cohérente dans toutes les conditions environnementales envisagées pour le circuit, et sur sa latence, qui est le temps nécessaire au démarrage (Figure 2).

Figure 2 : L'oscillateur démarre lorsque le gain unité est atteint tandis que V_DD augmente. Le temps de démarrage est mesuré à partir du moment où V_DD passe 0 V jusqu'à la stabilisation de l'oscillateur à la fréquence du quartz. (Source de l'image : ECS Inc.)

Niveau de commande du quartz

Les quartz dissipent de la puissance en raison du courant qui les traverse. Le niveau de puissance de commande est le produit de l'intensité efficace dans le quartz au carré, multiplié par l'ESR. Les quartz ont un niveau de commande maximum spécifié, généralement exprimé en milliwatts (mW) ou en microwatts (μW). Le dépassement du niveau de commande maximum peut entraîner un fonctionnement instable, un saut de mode, une réduction de la durée de vie du produit voire une défaillance du quartz. De plus, si le niveau de commande est trop faible, l'oscillateur peut ne pas démarrer.

Le niveau de commande peut être contrôlé en plaçant une résistance en série avec le quartz. La résistance R_S de la Figure 1 est un exemple : elle contrôle le courant dans le quartz et maintient le niveau de commande dans les limites spécifiées.

Modes de fonctionnement du quartz

Les dimensions de l'élément quartz déterminent sa fréquence fondamentale. À mesure que l'épaisseur de l'élément quartz diminue, sa fréquence augmente. À un certain point, le quartz devient trop fin et fragile pour fonctionner de manière fiable. Cette fréquence limite est d'environ 50 mégahertz (MHz).

Les oscillateurs à quartz fonctionnant à des fréquences plus élevées utilisent des quartz conçus pour accentuer les harmoniques impaires de la fréquence fondamentale du quartz. Ces fréquences de mode harmonique sont appelées partiels. Les quartz à mode partiel sont désignés par le numéro d'harmonique, tel qu'harmonique trois, cinq ou sept. Ces quartz ont une structure différente de celle des quartz à mode fondamental. Les conceptions d'oscillateurs à mode partiel peuvent intégrer des éléments de circuit, tels que des circuits oscillants L-C, pour supprimer la fréquence fondamentale et garantir le fonctionnement à la fréquence partielle souhaitée.

Tolérance et stabilité de fréquence

La tolérance de fréquence fait référence à l'écart mesuré de l'oscillateur par rapport à sa fréquence de conception. La tolérance est typiquement mesurée en parties par million (ppm), généralement à une température de +25°C.

La stabilité de fréquence mesure la variation de fréquence d'un oscillateur au fil du temps ou dans une plage de températures donnée. Elle est également mesurée en ppm. De nombreux facteurs peuvent affecter la stabilité du quartz, notamment la température, la tension de fonctionnement et le vieillissement, qui est une variation lente de la fréquence du quartz au fil du temps. Le vieillissement est mesuré en ppm par an. Une surcharge du quartz peut également nuire à sa stabilité.

Pour clarifier, une partie par million signifie que la fréquence d'un quartz de 1 MHz peut varier de 1 hertz (Hz), ce qui équivaut à 0,0001 %. Par exemple, un quartz de 8 MHz avec une tolérance de 30 ppm peut varier en fréquence de 240 Hz par rapport à sa fréquence nominale.

Qualification AEC-Q200

Les quartz, comme d'autres dispositifs passifs destinés à être installés dans des véhicules électriques, doivent être qualifiés pour répondre aux exigences rigoureuses imposées par cet environnement, y compris la norme mondiale AEC-Q200 pour la résistance aux contraintes. Les composants sont considérés comme qualifiés AEC-Q200 s'ils ont satisfait à une suite rigoureuse de tests de contraintes portant notamment sur la température, les chocs thermiques, la résistance à l'humidité, la tolérance dimensionnelle, la résistance aux solvants, les chocs mécaniques, les vibrations, les décharges électrostatiques, la soudabilité et la flexion de carte.

Outil de sélection de quartz

L'outil de sélection de quartz automobiles d'ECS Inc. fournit une méthode simple pour sélectionner des quartz de qualité automobile adaptés aux microcontrôleurs qualifiés automobiles SPC5 et STM8 de STMicroelectronics.

L'outil de sélection fournit au concepteur une liste de microcontrôleurs SPC5 et STM8 et une liste de quartz qualifiés automobiles d'ECS ainsi qu'un affichage des paramètres des oscillateurs à quartz (Figure 3).

Figure 3 : La page d'accueil de l'outil de sélection de quartz automobiles affiche des listes de microcontrôleurs et de quartz. (Source de l'image : ECS Inc.)

Les microcontrôleurs de STMicro sont répertoriés dans la zone bleue. Les quartz apparaissent dans la zone blanche. Le processus commence par la sélection d'un microcontrôleur, tel que le SPC56AP en haut de la liste des microcontrôleurs (Figure 4).

Figure 4 : Une fois le microcontrôleur SPC56AP sélectionné, les quartz compatibles et leurs paramètres de conception associés s'affichent. (Source de l'image : ECS Inc.)

Une fois le microcontrôleur SPC56AP sélectionné, l'outil met à jour la liste des quartz pour afficher uniquement les quartz compatibles avec ce microcontrôleur, ainsi que leurs paramètres de conception associés. À ce stade, le concepteur peut sélectionner les paramètres souhaités. Par exemple, supposons qu'une fréquence d'horloge de 8 MHz et la marge de gain maximale de 23,42 soient souhaitées. Ces choix réduisent la sélection de quartz à un seul composant, le quartz ECS-80-8-30Q-VY-TR (Figure 5).

Figure 5 : La sélection des paramètres de quartz souhaités permet d'identifier le quartz ECS-80-8-30Q-VY-TR. (Source de l'image : ECS Inc.)

Ce quartz de 8 MHz est conçu pour fonctionner avec une charge capacitive de 8 picofarads (pF) et présente une tolérance de 30 ppm. Utilisé en conjonction avec le SPC56AP, il affiche une valeur gmcrit de 0,17 mA/V et une valeur gm de 4 mA/V, ce qui donne une marge de gain réelle de 23,42. La marge de gain la plus défavorable, basée sur Gmcrit-Max, est de 5.

Un autre exemple utilise un processeur STM8AF fonctionnant à une fréquence d'horloge de 24 MHz. Ce choix d'entrées aboutit à la sélection de l'ECS-240-8-33B2Q-CVY-TR3 (Figure 6), un quartz de 24 MHz conçu pour fonctionner avec une charge capacitive de 8 pF et une tolérance de fréquence de 10 ppm.

Figure 6 : La sélection d'un quartz pour un processeur STM8AF s'exécutant à 24 MHz aboutit au modèle ECS-240-8-33B2Q-CVY-TR3. (Source de l'image : ECS Inc.)

Tous les quartz du guide de sélection sont qualifiés AEC-Q200 avec une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +150°C.

Conclusion

Les microcontrôleurs automobiles fonctionnent dans des environnements difficiles et doivent être soutenus par des quartz d'horloge appropriés. La sélection des quartz d'horloge requiert une compréhension des paramètres clés, notamment la fréquence, la plage de températures, la tolérance, la stabilité, la résistance ESR et la transconductance, afin de garantir une temporisation précise et une stabilité optimale. ECS Inc. propose un outil pour vous aider à faire le meilleur choix parmi la vaste gamme de quartz qualifiés AEC-Q200 adaptés aux microcontrôleurs des séries STM8x et SPC5x.