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三相变频电源微控制器振动器电路怎么规划才会比较合理?

大多数规划者都了解依据Pierce(皮尔斯)栅拓扑结构的三相变频电源振动器,但很少有人真实了解它是怎么作业的,更遑论怎么正确的规划。我们常常看到,在三相变频电源振动器作业不正常之前,多数人是不愿支付太多精力来重视三相变频电源振动器的规划的,而此刻产品一般现已量产;许多体系或项目由于它们的晶振无法正常作业而被推延部署或作业。状况不应该是如此。在规划阶段,以及产品量产前的阶段,三相变频电源振动器应该得到恰当的重视。规划者应当防止一场恶梦般的情形:发往外地的产品被大批量地送回来。

本文介绍了Pierce三相变频电源振动器的基本知识,并供给一些指导作法来协助我们怎么规划一个好的三相变频电源振动器规划,怎么断定不同的外部器材的详细参数以及怎么为三相变频电源振动器规划一个杰出的印刷电路板。
在本文结尾处,有一个简易的晶振及外围器材选型攻略,其间为MCU引荐了一些晶振类型(针对HSE及LSE),可以协助我们快速上手。

1、石英晶振的特性及模型 石英晶振的特性及模型
石英晶体是一种可将电能和机械能彼此转化的压电器材,能量转变发生在共振频率点上。它可用如下模型表明:
三相变频电源微控制器振动器电路怎么规划才会比较合理?

C 0 :等效电路中与串联臂并接的电容(译注:也叫并电容,静电电容,其值一般仅与晶振的尺度有关)。
L m :(动态等效电感)代表晶振机械振动的惯性。
C m :(动态等效电容)代表晶振的弹性。
R m :(动态等效电阻)代表电路的损耗。
晶振的阻抗可表明为以下方程(假定R m 可以忽略不计):
其间F s 的是当电抗Z=0时的串联谐频率(译注:它是L m 、C m 和R m 支路的谐振频率),其表达式如下:
F a 是当电抗Z趋于无穷大时的并联谐振频率(译注:它是整个等效电路的谐振频率),运用等式
(1),其表达式如下:
在F s 到F a 的区域即一般所谓的:“并联谐振区”(图2中的暗影部分),在这一区域晶振作业在并联谐振状况(译注:该区域就是晶振的正常作业区域,F a -F s 就是晶振的带宽。带宽越窄,晶振质量因素越高,振动频率越安稳)。在此区域晶振呈电感特性,然后带来了相当于180 °的相移。
其频率F P (或许叫F L :负载频率)表达式如下:
从表达式(4),我们知道可以通过调理负载电容C L 来微调三相变频电源振动器的频率,这就是为什么晶振制造商在其产品阐明书中会指定外部负载电容C L 值的原因。通过指定外部负载电容C L 值,可以使晶振晶体振动时抵达其标称频率。
下表给出了一个例子来阐明怎么调整外部参数来抵达晶振电路的8MHz标称频率:
运用表达式(2)、(3)和(4),我们可以计算出该晶振的F s 、F a 及F P :
F s = 7988768Hz,F a = 8008102Hz
如果该晶振的C L 为10pF,则其振动频率为:F P = 7995695Hz。
要使其抵达精确的标称振动频率8MHz,C L 应该为4.02pF。
2、三相变频电源振动器原理
三相变频电源振动器由一个扩大器和反应网络组成,反应网络起到频率挑选的效果。图3通过一个框图来阐明三相变频电源振动器的基本原理
三相变频电源微控制器振动器电路怎么规划才会比较合理?

为了起振,Barkhausen条件有必要得到满意。即闭环增益应大于1,并且总相移为360°。

为了让三相变频电源振动器作业,要确保|A(f)|.|B(f)| >> 1。这意味着开环增益应远大于1,抵达安稳振动所需的时刻取决于这个开环增益。但是,仅满意以上条件是不行解说为什么晶体三相变频电源振动器可以开端振动。为了起振,还需求向其供给发动所需的电能。一般来说,上电的能量瞬变以及噪声可以供给所需的能量。应当注意到,这个发动能量应该足够多,然后可以确保通过触发使三相变频电源振动器在所需的频率作业。
实际上,在这种条件下的扩大器是十分不安稳的,任何搅扰进入这种正反应闭环体系都会使其不安稳并引发振动发动。搅扰可能源于上电,器材禁用/使能的操作以及晶振热噪声等...。一起有必要注意到,只要在晶振作业频率范围内的噪声才干被扩大,这部分相关于噪声的悉数能量来说仅仅一小部分,这也就是为什么晶体三相变频电源振动器需求相当长的时刻才干发动的原因。
3  Pierce 三相变频电源振动器
皮尔斯三相变频电源振动器有低功耗、低成本及杰出的安稳性等特色,因而常见于一般的使用中。
4  Pierce 三相变频电源振动器规划
反应电阻 反应电阻R F
在大多数状况下,反应电阻R F 是内嵌在三相变频电源振动器电路内的(至少在ST的MCU中是如此)。它的效果是通过引入反应使反向器的功能等同于扩大器。Vin和Vout之间添加的反应电阻使扩大器在Vout= Vin时发生偏置,迫使反向器作业在线性区域(图5中暗影区)。该扩大器扩大了晶振的正常作业区域内的在并联谐振区内的噪声(例如晶振的热噪声)(译注:作业在线性区的反向器等同于一个反向扩大器),然后引发晶振起振。在某些状况下,如果在起振后去掉反应电阻R F ,三相变频电源振动器仍可以继续正常作业。
负载电容 负载电容C L
负载电容C L 是指连接到晶振上的终端电容。C L 值取决于外部电容器C L1 和C L2 ,刷电路板上的杂
散电容(C s )。C L 值由由晶振制造商给出。确保振动频率精度,首要取决于振动电路的负载电容与
给定的电容值相同,确保振动频率安稳度首要取决于负载电容坚持不变。外部电容器C L1 和C L2
可用来调整CL,使之抵达晶振制造商的标定值。

即:C L1 = C L2 = 20pF

三相变频电源振动器的增益裕量 
增益裕量是最重要的参数,它决议三相变频电源振动器是否可以正常起振,其表达式如下:
依据Eric Vittoz的理论(译注:详细可参阅Eric A. Vittoz et al., "High-Performance Crystal Oscillator Circuits: Theory and Application", IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 23, No. 3,pp. 774-782, Jun. 1988),扩大器和两个外部电容的阻抗对晶振的RLC动态等效电路的电抗有补偿效果。
依据这一理论,反向器跨导(gm)有必要满意:gm > gmcrit 。在这种状况下才满意起振的振动条件。为确保牢靠的起振,增益裕量的最小值一般设为5。
例如,如果规划一个三相变频电源微控制器的三相变频电源振动器部分,其gm等于25mA/V。如果所挑选的石英晶振(来自FOX公司)的参数如下:
频率 = 8MHz,C 0 = 7pF,C L = 10pF,ESR = 80 Ω
那么该晶体能否与三相变频电源微控制器合作牢靠起振?
如果不能满意增益裕量起振条件(即增益裕量Gain margin 小于5,晶振无法正常起振),应测验挑选一种ESR较低或/和C L 较低的晶振。
5 关于PCB的主张
1. 外部杂散电容和电感要控制在一个尽可能小的范围内,然后防止晶振进入非正常作业形式或引起起振不正常等问题。别的,三相变频电源振动器电路周围要防止有高频信号通过。
2. 走线长度越短越好。
3. 接地平面用于信号阻隔和削减噪声。例如:在晶振的保护环(译注:(Guard ring),指器材或走线外围成一圈用于屏蔽搅扰的导线环,一般要求理论上没有电流从该导线环上通过)下直接敷地有助于将晶振和来自其他PCB层的噪声阻隔开来。要注意接地平面要紧临晶振但只限于晶振下面,而不要将此接地平面敷满整个PCB板(见图7)。
4. 像图7所示来布地线是一个好的作法。这种布线办法将三相变频电源振动器的输入与输出阻隔开来,一起也将三相变频电源振动器和接近的电路阻隔开来。所有的V SS 过孔不是直接连到地平面上(除晶振焊盘之外),就是连接到终端在C L1 和C L2 下方的地线上。
5. 在每一对V DD 与V SS 端口上连接去藕电容来滑润噪声。
硬十iBox晶振规划实例:

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