无源晶振LoRa产品设计方法和注意事项

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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