零件采购－车用石英振荡器解决方案

零件采购－车用石英振荡器解决方案
（罗清岳／DigiTimes.com） 2006/10/16
上个世纪中电子产业蓬勃了数十年之久，从过去大而复杂的类比电路时期，演变成为近日短小轻薄的逻辑数码电路时代；这当中的时序电路俨然就是逻辑数码电路的中枢，而石英水晶振荡器更为时序电路内不可或缺的关键元件。当前所有消费性产品，包括：数码电视、游乐器、数码相机、手表…等；信息产品，例如：个人计算机及其外围设备、掌上型计算机及硬碟…等；通讯产品，包括：行动电话、无线电话…等；网络产品，如：调制解调器、IA产品、无线通讯产品…等，都是必须使用石英水晶振荡器来组成时序电路，尤其可见石英震荡器的重要性。
■技术进度缓慢　应用范围却更广泛

目前众多系统设备必须要以最经济的方式生产，并尽可能缩小尺寸和重量，而且还必须固定，即使在迅速的温度变化、冲击、振动等恶劣环境条件下也能可靠工作。这些要求也同样适用于其内部使用的表面声波（SAW）共振器等元件。
不过，截至目前石英振荡器一直是电子产业里问题很多的零件。其可靠性问题很早就受到极大关注，业界发现石英晶体唯有密封于干净、清洁和密闭的封装内才能可靠操作。虽然振荡器封装现已变得更小、更稳定和频率更高，石英晶体的制造方式却与过去大致相同。每种不同频率应用还需要重新切割石英晶体、照射X光、研磨叠合、固定和密封到最后封装内。虽然如此 ，石英晶体厂商对于石英振荡器制造技术进展呈现缓慢之势。而在车载用的滤波器与振荡器等晶体元件，主要应用于车内的通讯装置上，据日本电波工业研究指出，一部汽车需要用到的晶体振荡元件约为4050个，而高级车款上则可能达60个以上。不过，在频率可程序的低抖动时脉产生架构下，藉由精密级CMOS制程技术发展，来制造以IC为基础的新型混合振荡器技术，使得过去在传统上与高频谐振元件有关的生产复杂性及效能等问题都可迎刃而解。

▲车载用及消费性用振荡器频率公差，其振荡器设计只要采用具备高分辨率频率合成能力的DSPLL时脉元件，即可降低石英振荡器在精确度最大影响变量。（资料来源：日本电波工业）
■石英晶体先天问题与技术因应之道
当石英振荡器使用在车载用网络设备或其它电子装置，将有可能会为设计人员带来诸多技术上及石英晶体先天上的问题。包括：石英晶体采购前置作业时间冗长，长期使用容易出现老化现象，使频率较不稳定，而温度漂移和机械完整性也是个问题。
当石英振荡器在经过一段特定的时间，其工作频率会产生的变化，通常以每年最大变化量为几个百万分之一来表示，造成这种频率变化的因素有很多；比方说，晶体封装方式、整合技术、制作过程、材料种类、工作温度及频率…等，容易使晶体本身出现歪斜现象或受到污染影响而使频率出现变化，进而导致车载用产品在通讯方面产生混讯障碍，使通讯质量下降而产生通讯机密性的问题，而石英晶体的频率变化会逐渐出现上述问题。
因此，便有厂商发展出以DSP为主要架构基础，用高效能时脉合成元件再搭配低频石英晶体就能发展出多频率输出的石英振荡器或压控石英振荡器，同时具有大幅改善元件采购前置作业时间和机械强固性等使用高基波石英晶体振荡器时常见的问题。
■小型化也是石英晶体未来发展趋势
石英振荡器与其它电子零件同样朝著轻薄短小演进，已经开始朝向小型化方向来发展，包括：行动电话使用的温度补偿型石英振荡器或石英晶体，以及数码相机、笔记型计算机使用的石英晶体、钟表型石英振荡器的小型化速度也一日千里。另一方面，车用电子设备、产品也需要轻薄型元件，因此轻薄短小的竞争也因此逐渐成向白热化。
未来车载用石英振荡器将会因为技术持续创新而有所变化，因而具有高分辨率、可程序频率和高效能的新型石英振荡器已经出现，可大幅简化车用设备在生产程序问题，进而减少产品供应的前置作业时间，在其它效能方面也能表现出更精确的初始频率，不容易因为晶体本身出现老化现象而影响到线性压控能力。另一方面，表面黏著技术（SMT）石英水晶振荡器因应而生，除了能够符合小型化目标外，也会因为讯号源头传导路径缩短，在系统设计时增加振荡器的触发能力，进而降低电磁干扰性。

■台湾晶技

台湾晶技是台湾少数晶体振荡器主要制造商之一，该公司已经送样给福特汽车进行审核，并已获得汽车厂商的认可，预计明年可取得福特汽车授权。晶技主要生产晶体、振荡器、声表面波滤波器、时钟模块和螺线管等产品，封装方式主要有双列直插式和表面封装。该公司已在去年一季度取得了QS9000认证，并计画在今年底通过TS16949认证。
基本上，除了在过去的应用领域中，包括：卫星数码广播、行动电话及基地台、无线区域网络、无线蓝芽之外，也在车电产品方面积极开发车用石英元件领域，预计2007起飞，2008并扩大产品应用领域，晶技正积极开发车用石英元件年的成市长场，由于台湾晶技已取汽车厂商认证未来将会在车电产品中取得不错的机会；包括TS16949证认目前在进行R&D阶段，预估量产时机应在2007年，包括：胎压检测器、AIR BAG、GPS导航等应用。三项中GPS时程会较快而AIR BAG的时程可能最晚。
■泰艺

过去，泰艺专注在通讯用石英晶体，并在2005年开始朝向汽车产业应用领域发展，目前主要产品应用在汽车音响、胎压侦测器、引擎控制…等，已通过QS9000质量认证现已开始陆续出货中，另外也获得欧洲Delphi车用电子厂商订单。目前，泰艺所生产的车用石英晶体约占总营收比的10％，其南京子公司现已申请TS16949认证，预计将于2007年能顺利通过，将对承接一线汽车厂商的订单将有所助益，预计明年车用比例将可提升至营收20％以上。
因为石英振荡器产品必须具备极高的频率稳定度特性，主要应用在通讯产业基础建设之无线基站和数码传输时脉同步，另外也是汽车、航天与高精度测试设备等产业不可或缺之关键零组件。
■大真空

随著车用设备的多样化，应用于车载产品的RTC 模块，需求量也随之激增。为因应这样的市场需求，日本大真空开发了DSX530GK石英振荡器，其内建之石英晶体元件，都在专用汽车产线能够即时生产，可确保其高度的信赖性，对于需求高信赖性的车用配件而言，这款石英振荡器是最适合的产品，而且具有更高的可靠度，还可以提供更高的成本效益。
另外，采用直接振荡方式进行动作，使其具有三种不同的频率范围应用，包括：812MHZ、1220MHZ、2040MHZ，符合下一次代车用电子产品的高速、多样频率界面需求，带动了以低电压操作的高速时脉需求。也采用大真空本身特有的技术，设法改善震动阻抗，并解决振荡不良和其它因素，可适用在车用导航设备、胎压检测装置、ABS煞车系统…等应用范畴。
■日本电波工业

该公司NX3225DA系列晶体的频率范围为1655MHz，标准频率为16、20、24、26和32MHz，使其应用频率范围非常广泛，也可适用于多种产品，包括所有介于16MHz和55MHz之间的频率，都可以用直接振荡模式达到。另一方面，这也显示NX3225DA石英晶体元件内部的参考频率和外部输出频率是相同的。这样的设计，使得这款元件的讯号抖动非常低，能够为敏感性的产品应用，例如：电信产品和高速的数据资料传输，提供稳定可靠的时脉。
宽广的操作温度范围，约在-40+150℃之间，使得这一款元件也可以运用于汽车应用方面。±50x10-6的频率稳定度，更证明了即使在高技术层次的领域中，同样能够具有标准化的解决方案，能够与CMOS和TTL的要求兼容，更突显了NX3225DA的多用途性。
■村田制造所

这一款CSTCC_G_A振荡器的设计方式，完全符合过去村田制造所要求省能源的设计概念；因此，整个元件的电力消耗非常低，即便是在待机模式下，其消耗电流非常低。另外，该振荡器在外型尺寸上，可与程序化的PLL类型的石英振荡器完全兼容，利用这一项特点，就可以在设计产品时降低其设计门槛。而在产品的设计开发阶段，还能提供多组不同输出频率的元件整合到标准的封装尺寸，这比传统解决方案节省75％电路板面积及降低40％成本。
想要根据初始精确度、温度稳定性和老化影响等三项重要指标来大幅改善振荡器的可靠性和效能，关键就在于采用以DSPLL为基础的振荡器架构，使设计人员若想实作以SAW为基础的压控振荡器（VCSO），就必须使用控制斜率（tuning slope）范围较大的产品来弥补SAW较差的初始频率精确度、温度稳定性和老化特性。因此，具备上述特点的CSTCC_G_A，将可成为电信、网络、工业、汽车应用，以及其它产品应用的领域中，最值得信赖的选择。
■Epson

NS-32R石英振荡器是基于新型SAW技术设计方式，能确保无线讯号安全、可靠、低相位噪音传输。其特殊设计技术将对温度与频率的依赖缩减了50％以上。最理想频率可使温度特性使得NS-32R优于AT-cut芯片，尤其是当使用在工业以及汽车领域时。NS-32R不需要PLL（锁相环），就能以所需的传输频率振荡，因此非常适合用在电池驱动领域。
另外，频率范围为312870MHz以上，串行电阻最大功率为30W，具备可靠启动和低电流消耗特性，适合使用在苛刻环境中。NS-32H的电极保护层和Epson 独特技术，通过将污染减至零缺陷级，帮助减少故障发生率。NS-32R振荡器可应用在RF-ID、TPMS（轮胎压力监视系统）、ISM-band 收发器、Zigbee、低功率无线装置和无线音频设备中。
■京瓷

京瓷CX5032GA石英振荡器乃是使用陶瓷封装无铅、RoHS绿色制程技术为主要产品设计，不仅符合车用电子产品对于高可靠信度要求达到高耐热性、高耐震性技术。另外，该产品还具有9.843M40 MHZ的频率范围，是较为新型设计的频率控制元件，主要可以支持9.843M40MHZ频率范围的高频率、低抖动的车内应用，适合用在频率控制车用电子设备中及高效能应用领域。其应用范围包括：防汽车侧滑电子装置、电动转向系统、车速马达系统、车身控制系统、车用安全气囊…等车电产品。
另外，也可以频率合成功能转移到车用引擎上，可以大幅简化高频振荡器的相关生产流程，使得产品供应的前置作业时间变得更短和可预期。此外，这套革命性架构还大幅改善元件的总体可靠性…许多新功能。除了降低成本和提供超越传统解决方案的稳定性外，可符合车内电子产品应用的最严苛要求。