微方电子MicroFound携手裕中企业YIC发布频率元件在物联网 (IoT) MCU 的应用需知

来源：Yuechung International Corp (https://www.yic.com.tw/)

关键词：物联网、MCU、频率元件、石英晶振、电容匹配、负性阻抗、PCB 布局

微方电子一直致力于为客户提供优质的电子元件产品和服务。作为YIC的官方授权代理商，我们拥有专业的团队和丰富的行业经验，能够为客户提供准确的技术支持和解决方案。无论是在频率元件还是其他电子元件领域，微方电子都将一如既往地为客户提供高品质的产品和服务，满足客户的各种需求。

随着物联网（IoT）的蓬勃发展，16 位和 32 位元的微控制器（MCU）需求急剧上升，对 MCU 的系统时钟要求也日益提高。下面我们将详细介绍频率元件在物联网 (IoT) MCU 中的应用需知。

一、不同频率石英晶振的设计要点

（一）高频（MHz）石英晶振

在RF 2.4G应用中，Crystal常用频点为16MHz，12pF，Tolerance：±10ppm。这里的“频点”指的是石英晶振的固有振动频率，是晶振的一个重要参数。“ppm”是“parts per million”的缩写，表示百万分之一，用于衡量频率的精度。

根据设计公式$12pF = ((CL1×CL2)/(CL1 + CL2)) + Cs + Ci$（Cs为PCBA的杂散电容，Ci为MCU的接面电容），一般$Cs + Ci$约为3pF，所以$12 - 3 = 9pF$，代入公式可得$CL1 = CL2 = 18pF$。这个公式是用于计算石英晶振在电路中所需匹配的电容值。其中，CL1和CL2是外部匹配电容，Cs是印刷电路板（PCBA）上的杂散电容，Ci是微控制器（MCU）与晶振连接接口处的电容。

RF为内建回授电阻，在高频Crystal振荡电路中为1MΩ，一般MCU都内建，若没有可外加。回授电阻在电路中起到稳定振荡的作用。REXT为限流电阻，一般可不加，或加1kΩ以下电阻，避免正回授反馈量过大损坏晶振。限流电阻用于限制电流大小，防止过大的电流对晶振造成损坏。

（二）低频（KHz）石英晶振

以RTC和Base band应用为例，Quartz Crystal常用频点为32.768KHz，CL = 12.5pF，Stability：±20ppm。同样，这里的参数含义与高频晶振类似。

按照设计公式$12.5pF = ((CL1×CL2)/(CL1 + CL2)) + Cs + Ci$，通常$Cs + Ci$约3pF，即$13 - 3 = 10pF$，由此可得$CL1 = CL2 = 20pF$。RF在低频Crystal振荡电路中为10MΩ，一般MCU内建，无则外加。

二、负性阻抗和振荡余裕度

在设计振荡电路时，负性阻抗是一个容易被忽视但很重要的参数。其测试方法是在Crystal上串接一只VR，调整VR直到Crystal无输出频率，取下VR测量其阻值，此值即为振荡回路中的 -R值。

R值应≥(5 - 10)×ESR max（ESR为石英晶振的等效电阻），当 -R低于3倍ESR时，容易因石英晶振的振荡余裕度不足，出现不起振、振荡不稳定或振荡启动时间延长等问题。这里的负性阻抗和振荡余裕度是衡量晶振能否在电路中稳定振荡的重要指标。负性阻抗 -R与石英晶振的等效电阻ESR之间需要满足一定的关系，以确保晶振有足够的能量来维持稳定的振荡。

三、PCB 布局设计

（一）KHz Quartz Crystals

YIC 的 3215E 系列布局推荐：应符合相关设计要求（此处可详细描述图中设计要点）。
一般注意事项

PCB 布线应尽量短，IC 与 Crystal 距离应 < 10 - 15mm。这样做是为了减少信号传输过程中的损耗和干扰。
Crystal 下面尽量布 GND 层。GND 层即接地层，它可以为晶振提供一个稳定的参考电位，减少外界干扰对晶振的影响。
Crystal 本体下方不走振荡回路以外较敏感的信号线。这是为了避免其他信号线对晶振振荡回路产生干扰。
Crystal 尽量不放置在 PCB 边缘，防止掉落损坏且利于布 GND 层。放置在边缘容易受到机械冲击，同时不利于接地层的铺设。
Crystal 是热敏感元件，不要放置在接近 PCBA 或整机的热源位置。因为温度变化会影响晶振的频率稳定性。
Metal Can 晶振禁止直接对手焊接地，以免高温损坏。直接焊接可能会因局部温度过高导致晶振内部结构损坏。

（二）MHz Quartz Crystals

YIC 的 XT324 系列布局推荐：应符合相关设计要求（此处可详细描述图中设计要点）。
一般注意事项

PCB 布线应尽量短，IC 与 Crystal 距离应 < 10 - 15mm。
Crystal 下面尽量布 GND 层。
Crystal 本体下方不走振荡回路以外较敏感的信号线。
Crystal 尽量不放置在 PCB 边缘，防止掉落损坏且利于布 GND 层。
Crystal 是热敏感元件，不要放置在接近 PCBA 或整机的热源位置。
为减少输出线路上的波形反射回波，要求输出线路阻抗一致，输出线走线设计很关键，可将直角转换为 45° 角或采用圆角曲线设计，避免使用穿孔设计或 T 型分支设计。这样做是为了保证信号传输的质量，减少反射和干扰。
Crystal 尽可能不放置在开关电源或 AC 电源旁边，避免干扰且利于布 GND 层。开关电源和 AC 电源会产生电磁干扰，影响晶振的正常工作。
多层板的空板层都能铺铜（GND）有助于 Crystal 稳定温升，避免将 Crystal 放置在高频元件和走线附近，防止电容耦合，尽可能将 Crystal 与其他设备隔离。这些措施都是为了减少外界因素对晶振的干扰，保证晶振的性能和稳定性。

四、YIC 建议应用于 IoT MCU 的频率元件
（一）MHz Quartz Crystals

频率（MHz）	精准度（ppm）	负载电容（CL pF）	工作温度（°C）	尺寸（YIC 系列）（mm）
40	10	6,8,10,12,18,20	-20~+70 -40~+85	1.6x1.2 (XT114) 2.0x1.6 (XT214) 2.5x20(XT224) 3.2x2.5 (XT324)
32	10,20,30	6,8,10,12,18,20	-20~+70 -40~+85	1.6x1.2(XT114) 2.0x1.6 (XT214) 2.5x2.0 (XT224) 3.2x2.5(XT324)
27.12	10,20,30	6,8,10,12,18,20	-20~+70 -40~+85	1.6x1.2(XT114) 2.0x1.6 (XT214) 2.5x2.0 (XT224) 3.2x2.5 (XT324)
27	10,20,30	6,8,10,12,18,20	-20~+70 -40~+85	1.6x1.2(XT114) 2.0x1.803.2(XT214) 2.5x2.0 (XT224) 3.2x2.5(XT324)
26	10,20,30	6,8,9,10,12,18,20	-20~+70 -40~+85	1.6x1.2(XT114) 2.0x1.6(XT214) 2.5x2.0 (XT224) 3.2x2.5 (XT324)
25	10,20,30	6,8,10,12,18,20	-20~+70 -40~+85	1.6x1.2 (XT114) 2.0x1.6 (XT214) 2.5x2.0(XT224) 3.2x2.5 (XT324)
24.576	10,20,30	6,8,10,12,18,20	-20~+70 -40~+85	1.6x1.2(XT114) 2.0x1.6 (XT214) 2.5x2.0 (XT224) 3.2x2.5 (XT324)
24	10,20,30	6,8,10,12,18,20	-20~ +70	1.6x1.2 (XT114) 2.0x1.6 (XT214)
22.1184	10,20,30	6,8,10,12,18,20	-20~+70 -40~+85	3.2x2.5 (XT324) 2.0x1.6 (XT214) 2.5x2.0(XT224) 3.2x2.5 (XT324)
20	10,20,30	6,8,10,12,18,20	-20~+70 -40~+85	2.0x1.6 (XT21 羊时所不心，应注意对照 PDF 内容详细阐述)
18.432	10,20,30	6,8,10,12,18,20	-20~+70 -40~+85	2.0x1.6 (XT214) 2.5x2.0(XT224) 3.2x2.5 (XT324)
16	10,20,30	6,8,9,10,12,18,20	-20~+70 -40~+85	2.0x1.6 (XT214) 2.5x2.0 (XT224) 3.2x2.5 (XT324)
14.31818	10,20,30	6,8,10,12,18,20	-20 】中还有一些小错误，最后一行的 XT214) 2.5x2.0 (XT224) 3.2x2.5 (XT324)
13.56	10,20,30	6,8,10,12,18,20	-20~+70 -40~+85	2.0x1.6 (XT214) 2.5x2.0(XT224) 3.2x2.5 (XT324)
12	10,20,30	6,8,10,12,18,20	-20~+70 -40~+85	2.0x1.6 (XT214) 2.5x2.0(XT224) 3.2x2.5 (XT324)
8	10,20,30	10,12,18,20	-20~+70 -40~+85	3.2x2.5 (XT324) 5.0x3.2 (XT532,XT534)
※YIC 49US､49SMT 和 49SLMT 系列也是选项

（二）MHz Crystal Oscillators (SPXO)

频率（MHz）	精准度（ppm）	电压（V）	工作温度	尺寸（YIC 系列）（mm）
1,6,8,	25.50			SMD
11.0592,12, 18.432, 20, 24, 25,26,27, 32,33.333, 42,48,54, 66.667, 100,125,150	1.8, 2.5,3.0, 3.3,5	-20~+70 -40~+85	2.0x1.6 (OSC-S21) 2.5x2.0 (OSC-S22) 3.2x2.5 (OSC-S3) 5.0x3.2 (OSC-S5) 7.0x5.0 (OSC-S7) Through-Hole Full Size (OSC-F) Half Size (OSC-H)

（三）KHz Quartz Crystals

频率（KHz）	精准度（ppm）	负载电容（CL pF）	尺寸（YIC 系列）（mm）
	10,20	7,9,12.5	SMD
32.768		1.6x1.0 (1610E)
	3x8(DT-38)

（四）KHz Crystal Oscillators

频率（KHz）	精准度（ppm）	电压（V）	工作温度（°C）	尺寸（YIC 系列）（mm）
32.768	10,20,25,50	1.8, 2.3, 3.0, 3.3	-20~+70 -40~+85	2.0x1.6 (OSC-S21 RTC) 2.5x2.0 (OSC-S22 RTC) 3.2x2.5 (OSC-S3 RTC) 5.25, 5.0x3.2 (OSC-S5 RTC) 7.0x5.0 (OSC-S7 RTC)

（五）KHz RTC (DTCXO)

| 频率（KHz）| 精准度（ppm）| 电压（V）| 工作温度（°C）| 尺寸（YIC 系列）（mB0.25) | |----|----|5.556.2.2~5.5|-40~+85|SMD 10.3x5.0x3.4 (RC8025T)|

上表所列为常用规格，其他未列出的规格含宽温
欢迎洽询 YIC。