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鍵器件，在計量和時鐘等線路中發揮著不可或缺的作用，其應用和品質日益受到國家電網以及電表生產廠家的重視。由于壓電器件是一個較為冷門的學科，整機設計人員對此了解較少。筆者根據20多年和電表生產企業配套的經驗，針對智能電表用的晶體諧振器的選用及注意事項進行一些總結和歸納，以作為相關人員的參考。

【關鍵詞】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制作的一種機-電振蕩系統，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構可參見圖1。

晶體諧振器的工作機理相當于電阻、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電阻，L1為動態電感，C1位動態電容，C0為兩引出電極之間構成的靜電容。石英晶體具有穩定的物理和化學特性，因而其諧振頻率也十分穩定，通常晶體諧振器的品質因素可達到數萬?上百萬，此外，晶體諧振器具有十分優良的頻率溫度特性，可滿足在寬溫度范圍穩定工作，己經成為電子線路中的一種重要元件，在涉及頻率發生、穩頻、選頻等領域得到廣泛應用。

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

晶體諧振器的電性能主要由內部的石英晶片決定，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，晶體諧振器具有負載頻率牽引的特性，當串接的負載電容變化時會導致晶體的頻率變化，因此我們必須對晶體諧振器的關鍵參數充分了解才能進行正確地選用和最大程度地避免失效發生。

2晶體諧振器的選用關注項目和參數

由于晶體諧振器的參數較多，我們實際選用中主要關注一些關鍵項目和參數。

2.1尺寸型號和安裝方式

晶體諧振器有多種規格型號，尺寸最小的己經可以達到2.0mm*1.6mm，但是由于晶片的尺寸和頻段存在密切關聯，低頻段產品采用的晶片尺寸較大，因此必須選用如HC-49S或HC-49U相對較大的規格型號；而頻率大于20MHz的高頻段尺寸選擇的空間就很大。設計人員可根據整機對元器件的尺寸、晶體諧振器的技術參數要求來進行適配選擇。

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用均比較廣泛，隨著整機SMT技術的導入，表面貼裝式的產品需求呈增長趨勢。表面貼裝式產品具有使用安裝效率高，運輸過程防護好產品不易受損、大量節省人工等特點，缺點是同樣型號的產品成本方面會較插件式的提高15-20%左右，具體設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倍，如：3、5、7……。通常在基頻晶體諧振器設計時會通過電極設計盡可能對泛音進行抑制掉；而在泛音晶體設計時，則相反。由于相同頻率的基頻和泛音晶體其阻抗、動態參數差異很大，且泛音晶體使用的線路也和基頻有區別，需要選頻網絡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，如需要泛音的應用時必須要注明幾次泛音。

2.3標稱頻率

電表生產廠家設計人員需根據MCU和計量芯片相關技術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則直接規定使用5.5296MHz外置晶體。電表設計部門在下達晶體技術規格書時首先確保標稱頻率準確。

2.4負載電容

負載電容CL是組成振蕩電路時的必備條件，負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，通過調整負載電容，可以將振蕩頻率調到標稱值；二是起到穩頻作用，增強對外部干擾的抵抗能力，使振蕩電路頻率保持在穩定的狀態。由于負載電容的準確與否會直接影響到晶體諧振器工作頻率的精度，因此設計時必須特別關注。

晶體諧振器的負載電容一般可分為兩部分：晶體兩端的負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。負載電容可參考相關芯片的技術手冊進行選擇，10pF?30pF是比較常用的范圍，具體可根據實際應用試驗進行微調。

2.5激勵電平

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

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

2.6工作溫度范圍

電表使用的工作環境存在地域的差異、季節的差異、室內和室外的差異等，溫度變化范圍相對較大。為保證電表能在不同的環境中正常工作，必須充分考慮工作溫度范圍。通常在電表設計時，按最惡劣的應用情況進行考慮，通常以-40°C?85°C作為最大工作溫度范圍。常規溫度范圍為-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整頻差和溫度頻差。調整頻差和溫度頻差具體可參考MCU和計量芯片相關技術手冊進行確定，如果超過技術手冊的要求會導致工作失效。但如果確定的精度過高，則成本也會相應增加，因此選用的原則是根據實際應用需求確定，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等效串聯諧振電阻

等效串聯電阻表征晶體諧振器在連續振蕩中等效損耗，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相應MCU或芯片技術手冊的要求來選擇，不得大于技術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，從而降低失效的風險。

3.1防止跌落和沖擊

石英晶片具有硬脆的特點，雖然晶體諧振器可以抵抗一定的物理沖擊，但在某些環境下晶體諧振器產品也會受到損壞，如晶體諧振器從桌子上掉落或者在安裝過程受到沖擊等，這種情況可能導致產品的損壞失效。因此實際使用時如發生產品受到沖擊，應對產品進行測試確認后使用。

3.2避免晶體外殼進行錫焊接地

為防止電磁干擾的影響，在電表設計時有時會對晶體諧振器外殼提出接地的要求，有些電表生產廠家會對HC-49S系列產品晶體外殼采用錫焊接地來實現。由于晶體諧振器外殼通常是鋅白銅等材質，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錫焊，如此一來高溫會損壞晶體內部組件，導致元件失效。針對該問題，如設計有外殼接地要求時，建議選用有接地引線的產品。無接地引線產品外殼需錫焊時，建議使用酸性助焊劑對焊接部位進行處理后再進行焊接，焊接溫度不超過350°C，時間應小于3秒鐘。

3.3超聲波焊接和超聲波清洗可能對產品造成損壞

音叉型32.768KHZ晶體不能進行超聲波清洗，由于其結構的特殊性以及頻率和超聲波頻率接近，容易引起機械共振，從而導致失效。MHz頻段的產品可以進行超聲波清洗，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致晶體內部組件或外表面的損壞。超聲波焊接由于會使元件產生較大的振動或摩擦，會增加元件失效的風險，在實際應用中曾發現個別HC-49SMD產品經過超聲波焊接后會出現引線斷的情況，因此在電能表生產時需進行評估。

3.4避免過高的焊接溫度

電表生產時，焊接溫度過高也會破壞產品特性，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，回流焊焊接條件應控制在260℃≤10S，手工焊接應控制350℃≤3S。

3.5避免接觸腐蝕性液體或氣體氛圍

晶體使用中應避免接觸腐蝕性液體或氣體，存儲環境也應確保遠離這些因素。由于腐蝕性液體和氣體可能導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，嚴重的會加速產品失效。

參考文獻

[1]史振華，石英晶體元器件的設計與制造[J].壓電晶體技術編輯部，2001（11）.

[2]王青，晶振與電能表誤差的關系[J].電源技術應用，2013（04）.endprint