智能電表用晶體諧振器選用及注意事項

馬劍鋒+陳俊

摘要

近10年來智能電表得到了廣泛的普及推廣，晶體諧振器作為智能電表中的一個關(guān)鍵器件，在計量和時鐘等線路中發(fā)揮著不可或缺的作用，其應(yīng)用和品質(zhì)日益受到國家電網(wǎng)以及電表生產(chǎn)廠家的重視。由于壓電器件是一個較為冷門的學(xué)科，整機(jī)設(shè)計人員對此了解較少。筆者根據(jù)20多年和電表生產(chǎn)企業(yè)配套的經(jīng)驗，針對智能電表用的晶體諧振器的選用及注意事項進(jìn)行一些總結(jié)和歸納，以作為相關(guān)人員的參考。

【關(guān)鍵詞】晶體諧振器 智能電表 壓電器件 注意事項

1晶體諧振器的簡要介紹

晶體諧振器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制作的一種機(jī)-電振蕩系統(tǒng)，是一個無源器件，它是組成晶體振蕩器的核心部件。晶體諧振器主要由基座、石英晶片、鍍于晶片表面的金屬電極、導(dǎo)電膠以及外殼、其他輔助材料等部分組成。目前智能電表上常用的49S系列和SMD系列以及音叉型系列的實物結(jié)構(gòu)可參見圖1。

晶體諧振器的工作機(jī)理相當(dāng)于電阻、電容和電感組成的一個典型的振蕩電路，其原理圖可參見圖2，圖中R1為晶體諧振器的等效串聯(lián)電阻，L1為動態(tài)電感，C1位動態(tài)電容，C0為兩引出電極之間構(gòu)成的靜電容。石英晶體具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)特性，因而其諧振頻率也十分穩(wěn)定，通常晶體諧振器的品質(zhì)因素可達(dá)到數(shù)萬?上百萬，此外，晶體諧振器具有十分優(yōu)良的頻率溫度特性，可滿足在寬溫度范圍穩(wěn)定工作，己經(jīng)成為電子線路中的一種重要元件，在涉及頻率發(fā)生、穩(wěn)頻、選頻等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

近二十年來，壓電晶體行業(yè)得到了快速發(fā)展，晶體諧振器已形成HC-49U、HC-49S、7050SMD、5032SMD、3225SMD、2520SMD等多種型號系列，產(chǎn)品日益向小型化發(fā)展，精度和可靠性也得到了極大的提升。隨著SMT技術(shù)的發(fā)展，晶體諧振器產(chǎn)品也從此前單一的插件式逐步向表面貼裝式發(fā)展，并逐漸成為后續(xù)發(fā)展的主流。

晶體諧振器的電性能主要由內(nèi)部的石英晶片決定，由于不同切型的石英晶片具有不同的頻率、阻抗以及頻率一溫度特性等特性。智能電表計量和載波等部位使用的MHz頻段的晶體諧振器一般采用厚度切變模式-AT切型，而時鐘線路中使用的32.768KHZ則采用厚度彎曲振動XY音叉切型。另外，晶體諧振器具有負(fù)載頻率牽引的特性，當(dāng)串接的負(fù)載電容變化時會導(dǎo)致晶體的頻率變化，因此我們必須對晶體諧振器的關(guān)鍵參數(shù)充分了解才能進(jìn)行正確地選用和最大程度地避免失效發(fā)生。

2晶體諧振器的選用關(guān)注項目和參數(shù)

由于晶體諧振器的參數(shù)較多，我們實際選用中主要關(guān)注一些關(guān)鍵項目和參數(shù)。

2.1尺寸型號和安裝方式

晶體諧振器有多種規(guī)格型號，尺寸最小的己經(jīng)可以達(dá)到2.0mm*1.6mm，但是由于晶片的尺寸和頻段存在密切關(guān)聯(lián)，低頻段產(chǎn)品采用的晶片尺寸較大，因此必須選用如HC-49S或HC-49U相對較大的規(guī)格型號；而頻率大于20MHz的高頻段尺寸選擇的空間就很大。設(shè)計人員可根據(jù)整機(jī)對元器件的尺寸、晶體諧振器的技術(shù)參數(shù)要求來進(jìn)行適配選擇。

晶體諧振器的安裝方式有插件式和表面貼裝式兩種，目前插件式和表面貼裝式應(yīng)用均比較廣泛，隨著整機(jī)SMT技術(shù)的導(dǎo)入，表面貼裝式的產(chǎn)品需求呈增長趨勢。表面貼裝式產(chǎn)品具有使用安裝效率高，運(yùn)輸過程防護(hù)好產(chǎn)品不易受損、大量節(jié)省人工等特點(diǎn)，缺點(diǎn)是同樣型號的產(chǎn)品成本方面會較插件式的提高15-20%左右，具體設(shè)計和成本核算時需考慮到這方面因素。

2.2振蕩模式

晶體諧振器工作時除了基頻（Fund）外，還有機(jī)械諧波，我們通常稱之為泛音（Overtone）。每一個AT切型晶體諧振器既有基波，也同時存在泛音，其泛音頻率接近于基頻的奇數(shù)倍，如：3、5、7……。通常在基頻晶體諧振器設(shè)計時會通過電極設(shè)計盡可能對泛音進(jìn)行抑制掉；而在泛音晶體設(shè)計時，則相反。由于相同頻率的基頻和泛音晶體其阻抗、動態(tài)參數(shù)差異很大，且泛音晶體使用的線路也和基頻有區(qū)別，需要選頻網(wǎng)絡(luò)來確保能工作在泛音頻率上。智能電表中采用的晶體諧振器通常用的基頻，如需要泛音的應(yīng)用時必須要注明幾次泛音。

2.3標(biāo)稱頻率

電表生產(chǎn)廠家設(shè)計人員需根據(jù)MCU和計量芯片相關(guān)技術(shù)手冊推薦選定一個頻率段或者確切的頻率值。例如：STM32F207包含一個16MHz的內(nèi)部晶體，推薦使用一個4?26MHz的外置晶體提供主時鐘，一個32.768kHz的外置晶體作為RTC時鐘；計量芯片ATT7022E則直接規(guī)定使用5.5296MHz外置晶體。電表設(shè)計部門在下達(dá)晶體技術(shù)規(guī)格書時首先確保標(biāo)稱頻率準(zhǔn)確。

2.4負(fù)載電容

負(fù)載電容CL是組成振蕩電路時的必備條件，負(fù)載電容在振蕩電路中有兩個作用：一是參與振蕩，與晶體諧振器一起決定振蕩器的工作頻率，通過調(diào)整負(fù)載電容，可以將振蕩頻率調(diào)到標(biāo)稱值；二是起到穩(wěn)頻作用，增強(qiáng)對外部干擾的抵抗能力，使振蕩電路頻率保持在穩(wěn)定的狀態(tài)。由于負(fù)載電容的準(zhǔn)確與否會直接影響到晶體諧振器工作頻率的精度，因此設(shè)計時必須特別關(guān)注。

晶體諧振器的負(fù)載電容一般可分為兩部分：晶體兩端的負(fù)載電容值和線路雜散電容、布線電容，通常線路雜散電容和布線電容為3?5pF。負(fù)載電容可參考相關(guān)芯片的技術(shù)手冊進(jìn)行選擇，10pF?30pF是比較常用的范圍，具體可根據(jù)實際應(yīng)用試驗進(jìn)行微調(diào)。

2.5激勵電平

激勵電平通常也叫激勵功率，該參數(shù)是反映晶體在工作時消耗的有效功率，DL=I2*R。設(shè)計人員在制定晶體諧振器技術(shù)要求時可參考MCU和相關(guān)芯片技術(shù)手冊推薦的激勵功率值，也可進(jìn)行線路實際測定后確定。

激勵功率過大和過小會導(dǎo)致晶體諧振器工作不正常，如過小可能導(dǎo)致晶體諧振器不起振或振蕩不穩(wěn)定；如過大則可能導(dǎo)致諧波振動激發(fā)、晶體老化率增加，工作壽命降低等問題，嚴(yán)重的還會導(dǎo)致晶片損壞。AT切型MHz頻段產(chǎn)品通常在lμW?lOOμW之間選取，32.768KHZ產(chǎn)品的激勵電平應(yīng)小于lμW。endprint

2.6工作溫度范圍

電表使用的工作環(huán)境存在地域的差異、季節(jié)的差異、室內(nèi)和室外的差異等，溫度變化范圍相對較大。為保證電表能在不同的環(huán)境中正常工作，必須充分考慮工作溫度范圍。通常在電表設(shè)計時，按最惡劣的應(yīng)用情況進(jìn)行考慮，通常以-40°C?85°C作為最大工作溫度范圍。常規(guī)溫度范圍為-20°C?70°C，極限溫度范圍為-45°C?90°C。

2.7頻率偏差

頻率偏差主要包括調(diào)整頻差和溫度頻差。調(diào)整頻差和溫度頻差具體可參考MCU和計量芯片相關(guān)技術(shù)手冊進(jìn)行確定，如果超過技術(shù)手冊的要求會導(dǎo)致工作失效。但如果確定的精度過高，則成本也會相應(yīng)增加，因此選用的原則是根據(jù)實際應(yīng)用需求確定，適用、合理。

通常情況下，電表上使用的晶體諧振器調(diào)整頻差需≤±30ppm，-20°C?70°C溫度頻差≤±30ppm，-40°C?85°C溫度頻差≤±50ppm。

2.8等效串聯(lián)諧振電阻

等效串聯(lián)電阻表征晶體諧振器在連續(xù)振蕩中等效損耗，一般MHz頻段的晶體諧振器電阻在幾?幾百歐姆，而KHz頻段的電阻在幾十千歐姆?幾百千歐姆。該電阻值具體需根據(jù)相應(yīng)MCU或芯片技術(shù)手冊的要求來選擇，不得大于技術(shù)手冊所要求的最大等效電阻，并留有一定裕量。否則，可能會引起晶體不起振或振蕩不穩(wěn)定等問題。

3晶體諧振器的使用注意事項

由于石英晶體諧振器是一個比較精密的元件，因此使用過程必須加以注意，從而降低失效的風(fēng)險。

3.1防止跌落和沖擊

石英晶片具有硬脆的特點(diǎn)，雖然晶體諧振器可以抵抗一定的物理沖擊，但在某些環(huán)境下晶體諧振器產(chǎn)品也會受到損壞，如晶體諧振器從桌子上掉落或者在安裝過程受到?jīng)_擊等，這種情況可能導(dǎo)致產(chǎn)品的損壞失效。因此實際使用時如發(fā)生產(chǎn)品受到?jīng)_擊，應(yīng)對產(chǎn)品進(jìn)行測試確認(rèn)后使用。

3.2避免晶體外殼進(jìn)行錫焊接地

為防止電磁干擾的影響，在電表設(shè)計時有時會對晶體諧振器外殼提出接地的要求，有些電表生產(chǎn)廠家會對HC-49S系列產(chǎn)品晶體外殼采用錫焊接地來實現(xiàn)。由于晶體諧振器外殼通常是鋅白銅等材質(zhì)，表面鍍鎳，因此可焊性較差，必須用較高的焊接溫度和時間才能實現(xiàn)錫焊，如此一來高溫會損壞晶體內(nèi)部組件，導(dǎo)致元件失效。針對該問題，如設(shè)計有外殼接地要求時，建議選用有接地引線的產(chǎn)品。無接地引線產(chǎn)品外殼需錫焊時，建議使用酸性助焊劑對焊接部位進(jìn)行處理后再進(jìn)行焊接，焊接溫度不超過350°C，時間應(yīng)小于3秒鐘。

3.3超聲波焊接和超聲波清洗可能對產(chǎn)品造成損壞

音叉型32.768KHZ晶體不能進(jìn)行超聲波清洗，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性以及頻率和超聲波頻率接近，容易引起機(jī)械共振，從而導(dǎo)致失效。MHz頻段的產(chǎn)品可以進(jìn)行超聲波清洗，但是必須合理控制超聲波功率和清洗時間，長時間的清洗也可能會導(dǎo)致晶體內(nèi)部組件或外表面的損壞。超聲波焊接由于會使元件產(chǎn)生較大的振動或摩擦，會增加元件失效的風(fēng)險，在實際應(yīng)用中曾發(fā)現(xiàn)個別HC-49SMD產(chǎn)品經(jīng)過超聲波焊接后會出現(xiàn)引線斷的情況，因此在電能表生產(chǎn)時需進(jìn)行評估。

3.4避免過高的焊接溫度

電表生產(chǎn)時，焊接溫度過高也會破壞產(chǎn)品特性，造成晶體元件的失效率上升，因此必須控制好焊接溫度。通常，回流焊焊接條件應(yīng)控制在260℃≤10S，手工焊接應(yīng)控制350℃≤3S。

3.5避免接觸腐蝕性液體或氣體氛圍

晶體使用中應(yīng)避免接觸腐蝕性液體或氣體，存儲環(huán)境也應(yīng)確保遠(yuǎn)離這些因素。由于腐蝕性液體和氣體可能導(dǎo)致晶體的引線氧化或損壞，造成可焊性不良問題；外殼被腐蝕后輕則會造成外觀問題，嚴(yán)重的會加速產(chǎn)品失效。

參考文獻(xiàn)

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