一、无源晶振特性分析
无源晶振属于被动器件,一般指的是石英晶体,是利用石英晶体的压电效应,来产生高精度振荡频率的电子元件。
无源晶振的关键参数如下图所示。
以上参数中,对LoRa通信有直接影响关系的如下所述。
负载电容(Load Capacitance),直接影响晶振的振荡频率,LoRa模组研发设计的时候需要依据0ppm晶振样品(也可选用已知确定某频偏的晶振),通过焊接调试不同数值的电容来进行频偏校准,最终确定合理的负载电容取值。特别说明,Semtech新出的LoRa芯片内部带有可调负载电容,默认外接负载电容可以不用,但是建议还是做出预留。
常温频偏(Frequency Tolerance),是指25℃下,所有出厂的晶振个体之间可能存在的最大差异范围,该参数受限于晶振原材料晶片的切割角度,业内目前加工水平在±10ppm左右。如果有更高需求,可以要求晶振原厂供货±3ppm@25℃以内的产品,购买成本会有所增加。
温漂频偏(Frequency Stability),是指-40-85℃工作温度范围内,对单一一个晶振来说,相对于25℃时的频偏变化范围。特别说明,对同一型号的无源晶振来说-40-85℃范围内,所有出厂的晶振频偏变化趋势都是一样的,但是变化幅度却不尽相同。一般认为,对于特定温度下,所有晶振频偏变化幅度之间最大差异(如下箭头所指范围)是7-10ppm。
工作温度(Operating Temperature),一般情况下,LoRa模组要求的可稳定工作温度都是-40~85℃。特别注意,该温度指的是环境温度,实际使用时还要考虑PCB板级温度是否比环境温度有所升高。如果无源晶振所在的PCB板级温度比环境温度高,需要预留好散热措施或者PCB晶振部分进行挖槽隔热处理,如下图。
预留散热和挖槽隔热等措施,特别是在如含有外部PA等,发热量大的LoRa产品上尤为重要。
老化率(Aging),老化率是指无源晶振每年频偏变化的幅度,无源晶振第一年的频偏变化幅度一般都是±3ppm左右。该参数尤其对LoRa模组低带宽(BW=62.5KHz及其以下)通信影响明显。如果限定LoRa产品必须工作在低带宽条件下,建议使用有源温补晶振来消除年老化率的影响。
静态电容(Shunt Capacitance),是指无源晶振内部的寄生电容,典型值一般都能做到1pF以内,该电容和PCB上晶振外部焊接的两个负载电容,以及PCB上晶振电路的寄生电容组合到一起,决定了该晶振的负载电容(Load Capacitance)。
如下图电路,可以明确C1,C2,CP,C0,CL之间的计算公式为:CL=(C1*C2)/(C1+C2)+ CP + C0
特别说明:
1.C1,C2尽量保证一样,如果不一样,差异一般要求不超过2pF左右
2.CP代表PCB上晶振电路的寄生电容
该公式也进一步解释了,为什么模组类的产品研发测试阶段需要校准频偏,同时必须要保证研发样品和批量生产的模块在同一板厂加工,并且使用相同的加工工艺。主要目的是归一化处理,同时需要保证生产一致性,避免可变因素在极端条件下造成模块使用异常。
二、无源晶振在LoRa产品使用中遇到的问题
目前,LoRa模组因使用无源晶振,需要重点关注的事项有以下2点:
1、LoRa模组研发阶段,需要对实际焊接的2个晶振负载电容取值进行调试,该过程称为频偏校准过程。
设想一下,假设我们在每一个待焊接的无源晶振上都标记了其25℃下的标称频偏值,那么我们使用调试好的负载电容焊到PCB板上之后,用频谱仪实际测试出的LoRa信号中心频点的偏移量应该和该晶振的标称频偏量一样才行。
另外,频偏校准过程还有一个目的是,保证不同型号的LoRa模组在低带宽下(62.5KHz及其以下)都能正常通信。按照LoRa通信的要求,要保证两个模组稳定通信,至少要满足的极限条件是确保通信双方的频偏差异在BW/4以内(62.5KHz带宽下,即要求小于15KHz,留有余量建议一般取10-12KHz)。
那么,无源晶振的常温频偏是±10ppm,换算成频率即为±5KHz@470MHz,也就是说我们选定了一款无源晶振用到某一个型号的LoRa模组上,在常温25度下使用,已经达到了62.5KHz带宽下通信的极限条件,更不用说高低温环境的温漂差异,老化率的影响,以及不同的LoRa模块可能使用了不同型号的无源晶振等等这些情况。
基于以上,才要求LoRa模块使用无源晶振需要进行频偏校准,同时建议尽量使用有源温补晶振,除非使用LoRa模组通信的时候,限定必须使用高带宽配置。
2、无源晶振因为频偏差异无法做到很小,同时还有明显的温漂现象,导致高温环境下(一般以70℃左右为界限),以及模组存在高发热量且散热不好的情况下,容易出现低带宽配置(62.5KHz及其以下)通信异常的问题。
下面针对不同的模组高温通信问题的分析过程作为举例。
下图高温85℃下,速率1测试结果,可以发现同样存在工作一段时间收不到数据的情况(高温下,频繁不间断,大数据量通信)。
下图为厂家一模组高温75℃下,速率1发送数据和接收数据的情况,丢包率约为20.8%。
下图厂家二高温75℃下,速率1发送数据和接收数据的情况,丢包率约为7.3%。
厂家一高温75℃下,发射模块晶振位置的温升情况。
厂家二高温75℃下,发射模块晶振处的温升和接收模块晶振处的温升情况。
三、无源晶振在LoRa产品设计中的注意事项
基于以上分析,LoRa模组使用无源晶振,需要注意以下几点:
1.在研发阶段,就必须对无源晶振使用的2个外部负载电容进行调试校准
2.高发热量的模组,必须在PCB上将晶振部分挖尽量大的空槽进行隔热处理
3.建议要求晶振原厂,提供±3ppm@25℃以内的无源晶振产品
4.LoRa产品上预留足够的散热措施,避免温升过大(最好控制在10℃以内)
5.使用无源晶振,不建议使用低带宽的配置(62.5KHz及其以下)进行通信
6.如果必须使用低带宽(62.5KHz及其以下)的配置进行通信,则需要减少单包发送数据量,并且预留足够长的发送时间间隔,以预留充分的散热时间
通过本文分析可以发现,因为无源晶振本身生产工艺的原因,导致每个晶振的频偏差异大,并且随环境温度漂移明显,如果LoRa模组本身发热量大,散热又不好的情况下,那么很容易导致发射模块和接收模块在低带宽通信时产生异常现象。
对于以上问题,解决的思路也很明确,就是优化无源晶振的选型,尽量使用有源温补晶振,或者PCB设计时,预留足够的散热和隔热措施,尽量将影响减小。
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