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RENESAS RA MCU 系列 RA8M1 Arm Cortex-M85 微控制器

RENESAS-RA-MCU-系列-RA8M1-Arm-Cortex-M85-微控制器-產品

產品資訊

規格

  • 產品 名稱:瑞薩 RA 系列
  • 模型:RA單晶片系列

介紹
瑞薩電子 RA 系列子時脈電路設計指南提供了有關如何在使用低容性負載 (CL) 諧振器時最大程度地降低錯誤操作風險的說明。副時脈振盪電路具有低增益以降低功耗,但易受雜訊影響。本指南旨在幫助使用者選擇合適的組件並正確設計其子時脈電路。

目標裝置
RA單晶片系列

內容

  1. 元件選擇
    1. 外部晶體諧振器選擇
    2. 負載電容選擇
  2. 修訂歷史

產品使用說明

元件選擇

外部晶體諧振器選擇

  • 外部晶體諧振器可用作副時鐘振盪器源。它應連接在 MCU 的 XCIN 和 XCOUT 引腳之間。副時脈振盪器的外部晶體諧振器的頻率必須恰好為 32.768 kHz。詳情請參考MCU硬體使用手冊的電氣特性部分。
  • 對於大多數 RA 微控制器,也可以使用外部晶體諧振器作為主時鐘來源。在這種情況下,應將其連接到 MCU 的 EXTAL 和 XTAL 引腳。主時脈外部晶體諧振器的頻率必須在主時脈振盪器所指定的頻率範圍內。儘管本文檔重點介紹副時鐘振盪器,但此處提到的選擇和設計指南也可以應用於使用外部晶體諧振器的主時鐘來源的設計。
  • 選擇晶體諧振器時,重要的是要考慮獨特的電路板設計。有多種晶體諧振器可能適合與 RA MCU 設備一起使用。建議仔細評估所選晶體諧振器的電氣特性,以確定具體的實施要求。
  • 圖 1 顯示了一個典型的 examp圖 2 顯示了副時脈源的晶體諧振器連接,而圖 XNUMX 顯示了其等效電路。

負載電容選擇
負載電容器的選擇對於 RA MCU 裝置的子時鐘電路的正確運作至關重要。有關負載電容的具體細節和指南,請參閱 MCU 硬體使用手冊的電氣特性部分
選擇。

常問問題

  • Q:我可以使用任何晶體諧振器作為副時鐘振盪器嗎?
    答:不可以,副時脈振盪器的外部晶體諧振器的頻率必須剛好為 32.768 kHz。具體詳情請參閱MCU硬體使用手冊的電氣特性部分。
  • Q:副時鐘振盪器和主時鐘振盪器可以使用相同的晶體諧振器嗎?
    答:是的,對於大多數 RA 微控制器,您可以使用外部晶體諧振器作為副時鐘振盪器和主時鐘振盪器。但請確保主時鐘外部晶體諧振器的頻率落在主時鐘振盪器指定的頻率範圍內。

瑞薩 RA 系列

副時脈電路設計指南

介紹
副時脈振盪電路具有低增益以降低功耗。由於增益較低,存在雜訊可能導致 MCU 誤操作的風險。本文檔介紹如何在使用低容性負載 (CL) 諧振器時最大程度地降低此風險。

目標裝置
RA單晶片系列

元件選擇

元件選擇對於確保 RA MCU 裝置的子時脈電路正確運作至關重要。以下部分提供了幫助選擇組件的指導。

外部晶體諧振器選擇
外部晶體諧振器可以用作副時鐘振盪器源。外部晶體諧振器連接在 MCU 的 XCIN 和 XCOUT 腳之間。副時脈振盪器的外部晶體諧振器的頻率必須恰好為 32.768 kHz。具體詳情請參閱MCU硬體使用手冊的電氣特性部分。
對於大多數 RA 微控制器,可以使用外部晶體諧振器作為主時鐘來源。外部晶體諧振器連接在 MCU 的 EXTAL 和 XTAL 引腳之間。主時脈外部晶體諧振器的頻率必須在主時脈振盪器的頻率範圍內。本文檔重點介紹副時脈振盪器,但這些選擇和設計指南也適用於使用外部晶體諧振器的主時脈源的設計。
晶體諧振器的選擇在很大程度上取決於每個獨特的電路板設計。由於有多種晶體諧振器可供選擇,可能適合與 RA MCU 裝置一起使用,因此請仔細評估所選晶體諧振器的電氣特性,以確定特定的實施要求。

圖 1 顯示了一個典型的 examp用於副時鐘源的晶體諧振器連接。

RENESAS-RA-MCU-系列-RA8M1-Arm-Cortex-M85-微控制器- (1)

圖 2 顯示了副時脈電路上晶體諧振器的等效電路。

RENESAS-RA-MCU-系列-RA8M1-Arm-Cortex-M85-微控制器- (2)圖 3 顯示了一個典型的 examp主時鐘源的晶體諧振器連接。

RENESAS-RA-MCU-系列-RA8M1-Arm-Cortex-M85-微控制器- (3)

圖 4 顯示了主時脈電路上晶體諧振器的等效電路。

RENESAS-RA-MCU-系列-RA8M1-Arm-Cortex-M85-微控制器- (4)選擇晶體諧振器和相關電容器時必須仔細評估。外部回授電阻(Rf)和damp如果晶體諧振器製造商建議,可以添加電阻器(Rd)。
CL1 和 CL2 電容值的選擇將影響內部時鐘的精確度。要了解 CL1 和 CL2 值的影響,應使用上圖中晶體諧振器的等效電路來模擬電路。為了獲得更準確的結果,還需要考慮與晶體諧振器組件之間的佈線相關的雜散電容。
某些晶體諧振器可能對 MCU 提供的最大電流有限制。如果提供給這些晶體諧振器的電流過高,晶體可能會損壞。廣告amp可以添加電阻器 (Rd) 以限制流向晶體諧振器的電流。請諮詢晶體諧振器製造商來確定該電阻的值。

負載電容選擇
晶體諧振器製造商通常會為每個晶體諧振器提供負載電容 (CL) 額定值。為了使晶體諧振器電路正常工作,電路板設計必須與晶體的 CL 值相符。
有多種方法可以計算負載電容器 CL1 和 CL2 的正確值。這些計算考慮了電路板設計的負載電容器和雜散電容 (CS) 的值,其中包括銅跡線和 MCU 裝置引腳的電容。
計算 CL 的一個方程式是: RENESAS-RA-MCU-系列-RA8M1-Arm-Cortex-M85-微控制器- (5)作為前任amp例如,如果晶體製造商指定 CL = 14 pF,且電路板設計的 CS 為 5 pF,則最終的 CL1 和 CL2 將為 18 pF。本文檔第 2.4 節提供了一些經過驗證的諧振器選擇以及正確操作的相關電路常數的詳細資訊。
還有其他因素會影響晶體的性能。隨著時間的推移,溫度、組件老化和其他環境因素可能會改變晶體的性能,因此在每個特定設計中都應予以考慮。
為了確保正常運行,每個電路都應在預期的環境條件下進行測試,以確保正確的性能。

電路板設計

元件放置
晶體振盪器、負載電容器和可選電阻器的放置會對時脈電路的效能產生重大影響。
在本文檔中,「元件面」是指 PCB 設計中與 MCU 相同的一面,「焊接面」是指 PCB 設計中與 MCU 相對的一面。
建議將晶體諧振器電路放置在盡可能靠近 PCB 組件側 MCU 引腳的位置。負載電容和可選電阻也應放置在組件側,並且應放置在晶體諧振器和 MCU 之間。另一種方法是將晶體諧振器放置在 MCU 引腳和負載電容器之間,但需要考慮額外的接地佈線。
低CL晶體振盪器對溫度波動敏感,這會影響副時脈電路的穩定性。為了減少溫度對副時脈電路的影響,請將其他可能產生過多熱量的元件遠離晶振。如果銅區域用作其他組件的散熱器,請將銅散熱器遠離晶體振盪器。

路由 – 最佳實踐
本節介紹 RA MCU 裝置的晶體諧振器電路正確佈局的要點。

XCIN 和 XCOUT 路由
以下列表描述了 XCIN 和 XCOUT 的佈線要點。圖 5、圖 6 和圖 7 顯示了範例ampXCIN 和 XCOUT 的首選追蹤路由檔案。圖 8 顯示了替代 exampXCIN 和 XCOUT 的追蹤路由檔。圖中的標識號指的是該列表。

  1. 不要將 XCIN 和 XCOUT 走線與其他號誌走線交叉。
  2. 請勿將觀察引腳或測試點新增至 XCIN 或 XCOUT 走線。
  3. 使 XCIN 和 XCOUT 走線寬度介於 0.1 mm 和 0.3 mm 之間。從 MCU 腳位到晶體諧振器接腳的走線長度應小於 10 mm。如果不可能達到 10 毫米,請使走線長度盡可能短。
  4. 連接到 XCIN 接腳的走線和連接到 XCOUT 接腳的走線之間應有盡有的空間(至少 0.3 mm)。
  5. 將外部電容器盡可能靠近地連接。將電容器的走線連接到組件側的接地走線(以下簡稱「接地屏蔽」)。有關接地屏蔽的詳細信息,請參閱第 2.2.2 節。當無法使用首選佈局來放置電容器時,請使用圖 8 所示的佈局。
  6. 為了減少 XCIN 和 XCOUT 之間的寄生電容,請在諧振器和 MCU 之間添加接地走線。

RENESAS-RA-MCU-系列-RA8M1-Arm-Cortex-M85-微控制器- (6)圖 5. 前ampXCIN 和 XCOUT、LQFP 封裝的首選佈局和佈線文件

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圖 6. 前ampXCIN 和 XCOUT、LGA 封裝的首選佈局和佈線文件

RENESAS-RA-MCU-系列-RA8M1-Arm-Cortex-M85-微控制器- (8)

圖 7. 前ampXCIN 和 XCOUT、BGA 封裝的首選佈局和佈線文件

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圖 8. 前ampXCIN 和 XCOUT 的備用佈局和佈線文件

接地屏蔽
用接地跡線屏蔽晶體諧振器。下面的清單描述了有關接地屏蔽的要點。圖 9、圖 10 和圖 11 顯示了路由擴展amp每個包的文件。每幅圖中的識別號均指此列表。

  1. 將接地屏蔽佈置在與晶體諧振器走線佈線相同的層上。
  2. 使接地屏蔽走線寬度至少為 0.3 mm,並在接地屏蔽和其他走線之間留出 0.3 至 2.0 mm 的間隙。
  3. 將接地屏蔽佈線盡可能靠近 MCU 上的 VSS 引腳,並確保走線寬度至少為 0.3 mm。
  4. 為了防止電流通過接地屏蔽,請將接地屏蔽和電路板上的接地靠近電路板上的 VSS 引腳進行分支。

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圖 9. 追蹤 Examp接地屏蔽、LQFP 封裝的文件

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圖 10. 追蹤 Examp用於接地屏蔽、LGA 封裝的文件

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圖 11. 追蹤 Examp接地屏蔽、BGA 封裝的文件

底部地面

厚度至少 1.2 毫米的多層板
對於厚度至少為 1.2 mm 的電路板,在晶體諧振器區域的焊接側(以下稱為底部接地)佈置接地跡線。
下面列出了製作厚度至少為 1.2 毫米的多層板時的要點。圖 12、圖 13 和圖 14 顯示了路由擴展amp每種包類型的檔案。每幅圖中的識別號均指此列表。

  1. 不要在晶體諧振器區域的中間層佈置任何走線。請勿在此區域佈置電源或接地走線。請勿讓訊號走線穿過該區域。
  2. 使底部接地至少比接地屏蔽大 0.1 毫米。
  3. 在將其連接到 VSS 引腳之前,僅將焊接側的底部接地連接到組件側的接地屏蔽。

附加說明

  • 對於 LQFP 和 TFLGA 封裝,僅將接地屏蔽連接到電路板組件側的底部接地。透過接地屏蔽將底部接地連接到 VSS 引腳。請勿將底部接地或接地屏蔽連接至 VSS 接腳以外的接地。
  • 對於 LFBGA 封裝,將底部接地直接連接到 VSS 引腳。請勿將底部接地或接地屏蔽連接至 VSS 接腳以外的接地。 RENESAS-RA-MCU-系列-RA8M1-Arm-Cortex-M85-微控制器- (13)

圖 12. 路由擴展amp當多層板厚度至少為 1.2 mm 時,LQFP 封裝

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圖 13. 路由擴展amp當多層板厚度至少為 1.2 mm 時,LGA 封裝

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圖 14. 路由擴展amp當多層板厚度至少為 1.2 mm 時,BGA 封裝

厚度小於 1.2 毫米的多層板
以下介紹製作厚度小於1.2mm的多層板時的要點。圖 15 顯示了一個路由擴展amp勒。

不要在晶體諧振器區域的元件側以外的層上佈置任何走線。請勿在此區域佈置電源和接地走線。請勿讓訊號走線穿過該區域。

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圖 15. 路由擴展amp當多層板厚度小於 1.2 mm 時,LQFP 封裝

其他要點
下面的清單描述了其他需要考慮的點,圖 16 顯示了一個路由擴展amp使用 LQFP 封裝時的文件。同樣的要點適用於任何封裝類型。圖中的識別號指的是該列表。

  1. 不要將 XCIN 和 XCOUT 走線放置在電流變化較大的走線附近。
  2. 請勿將 XCIN 和 XCOUT 走線與其他訊號走線(例如相鄰接腳的訊號走線)平行佈線。
  3. 與 XCIN 和 XCOUT 接腳相鄰的接腳走線應遠離 XCIN 和 XCOUT 接腳。首先將走線佈線至 MCU 中心,然後將走線佈線遠離 XCIN 和 XCOUT 腳位。建議這樣做以避免與 XCIN 和 XCOUT 走線平行的走線佈線。
  4. 將盡可能多的接地走線佈置在 MCU 的底部。 RENESAS-RA-MCU-系列-RA8M1-Arm-Cortex-M85-微控制器- (17)

圖 16. 路由擴展amp其他點,LQFP 封裝 Example

主時鐘諧振器
本節介紹主時鐘諧振器的佈線要點。圖 17 顯示了一個路由擴展amp勒。

  • 用接地線屏蔽主時脈諧振器。
  • 請勿將主時鐘諧振器的接地屏蔽連接到副時鐘的接地屏蔽。如果主時鐘接地屏蔽直接連接到子時鐘接地屏蔽,則來自主時脈諧振器的雜訊可能會傳輸並影響子時鐘。
  • 在放置和佈線主時脈諧振器時,請遵循與副時鐘振盪器相同的指導原則。 RENESAS-RA-MCU-系列-RA8M1-Arm-Cortex-M85-微控制器- (18)

圖 17. 路由擴展amp使用接地屏蔽屏蔽主時脈諧振器時

路由——要避免的錯誤
在副時脈電路進行佈線時,請小心避免以下幾點。存在任何這些問題的佈線都可能導致低 CL 諧振器無法正確振盪。圖 18 顯示了一個路由擴展amp文件並指出路由錯誤。圖中的識別號指的是該列表。

  1. XCIN 和 XCOUT 走線與其他號誌走線交叉。 (誤操作的風險。)
  2. 觀察引腳(測試點)連接到 XCIN 和 XCOUT。 (振盪停止的風險。)
  3. XCIN 和 XCOUT 線很長。 (存在誤操作或精度下降的風險。)
  4. 接地屏蔽並未覆蓋整個區域,且在有接地屏蔽的地方,走線又長又窄。 (容易受噪音影響,並且存在因 MCU 和外部電容器產生的接地電位差而導致精度下降的風險。)
  5. 除 VSS 接腳外,接地屏蔽還有多個 VSS 連接。 (流經接地屏蔽層的 MCU 電流可能導致誤操作。)
  6. 電源或接地走線位於 XCIN 和 XCOUT 走線下方。 (有失去時鐘或振盪停止的風險。)
  7. 附近走有大電流走線。 (誤操作的風險。)
  8. 相鄰接腳的平行走線又近又長。 (有失去時鐘或振盪停止的風險。)
  9. 中間層用於路由。 (振盪特性下降或訊號誤動作的風險。)

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圖 18. 路由擴展amp由於噪音而導致誤操作的風險較高

參考振盪電路常數和驗證的諧振器操作
表 1 列出了經過驗證的晶體諧振器操作的參考振盪電路常數。本文檔開頭的圖 1 顯示了一個 examp用於驗證諧振器操作的電路。

表 1. 經過驗證的諧振器操作的參考振盪電路常數

製造商 系列 SMD/ 引線 頻率(kHz) CL (pF) CL1(pF) CL2(pF) Rd(千歐姆)
京瓷 ST3215S B 貼片式 32.768 12.5 22 22 0
9 15 15 0
6 9 9 0
7 10 10 0
4 1.8 1.8 0

請注意,Kyocera 上並未列出所有 RA MCU 設備 web對於大多數 RA MCU 裝置,未列出站點和子時鐘振盪器建議。此表中的數據包括其他類似瑞薩 MCU 裝置的建議。

此處列出的經過驗證的諧振器操作和參考振盪電路常數基於諧振器製造商提供的信息,並且不提供保證。由於參考振盪電路常數是製造商在固定條件下測量的測量值,因此使用者係統中測量的值可能會有所不同。為了獲得在實際使用者係統中使用的最佳參考振盪電路常數,請諮詢諧振器製造商以對實際電路進行評估。
圖中的條件是連接到MCU的諧振器振蕩的條件,而不是MCU本身的工作條件。有關 MCU 工作條件的詳細信息,請參閱電氣特性中的規格。

時脈晶體精度測量

  • 根據時脈晶體製造商和瑞薩電子的建議(在每個 MCU 硬體使用手冊中),時脈晶體電路的正確實現包括 2 個負載電容器(圖中的 CL1 和 CL2)。本文檔前面的部分介紹了電容器的選擇。這些電容直接影響時脈頻率的精度。負載電容器值過高或過低都會對時鐘的長期精度產生重大影響,從而降低時鐘的可靠性。這些電容器的值由晶體元件規格和電路板佈局的組合決定,同時考慮 PCB 的雜散電容和時鐘路徑中的組件。
  • 然而,為了正確確定時脈電路的精度,必須在真實硬體上測量時脈頻率。直接測量時鐘電路幾乎肯定會導致測量結果不正確。負載電容器的典型值在 5 pF 至 30 pF 範圍內,典型示波器探頭電容值通常在 5 pF 至 15 pF 範圍內。與負載電容器值相比,探頭的附加電容非常大,並且會使測量結果偏差,從而導致錯誤的結果。對於非常高精度的探頭來說,最低電容值示波器探頭的電容值仍然在 1.5 pF 左右,這仍然可能導致測量結果偏差。
  • 以下是測量 MCU 板產品時脈頻率精度的建議方法。此過程消除了由於測量探頭添加的電容負載而導致的潛在測量誤差。

推薦的測試程序
Renesas RA 微控制器至少包含一個 CLKOUT 腳位。為了消除時脈晶體訊號上探頭的電容負載,可以對微控制器進行編程,將時脈晶體輸入傳遞到 CLKOUT 引腳。要測試的 MCU 板必須包含存取該引腳以進行測量的措施。

所需組件

  • 待測設備的一塊或多塊MCU板。
  • 用於待測設備的程式設計和模擬工具。
  • 具有至少 6 位元精度且經過適當校準的頻率計數器。

測試方法

  1. 對 MCU 進行編程,將副時脈電路的時脈晶振輸入連接到 MCU 的 CLKOUT 接腳。
  2. 將頻率計數器連接到 MCU 的 CLKOUT 接腳和適當的接地。請勿將頻率計數器直接連接到時脈晶體電路。
  3. 配置頻率計數器來測量 CLKOUT 引腳上的頻率。
  4. 讓頻率計數器測量頻率幾分鐘。記錄測量的頻率。

此過程可用於副時鐘和主時鐘晶體振盪器。為了了解負載電容器值對時脈晶體精度的影響,可以使用不同的負載電容器值重複測試。選擇為每個時脈提供最準確時脈頻率的值。
還建議在同一類型的多塊板上重複該過程,以提高測量的有效性。

頻率精度計算
頻率精度可以使用以下公式計算。

  • fm = 測量頻率
  • fs = 理想訊號頻率
  • fe = 頻率誤差
  • fa = 頻率精度,通常以十億分之一 (ppb) 表示

頻率誤差可表示為

RENESAS-RA-MCU-系列-RA8M1-Arm-Cortex-M85-微控制器- (20)頻率精度可表示為 RENESAS-RA-MCU-系列-RA8M1-Arm-Cortex-M85-微控制器- (21)頻率精度也可以用與實際時間的偏差來表示。偏差,以每年的秒數為單位,可以表示為

RENESAS-RA-MCU-系列-RA8M1-Arm-Cortex-M85-微控制器- (22)

Web網站和支持
造訪以下內容 URL了解 RA 系列的關鍵要素、下載元件和相關文件並獲得支援。

修訂歷史

 牧師。  日期 描述
概括
1.00 07.22年XNUMX月XNUMX日 初次發布
2.00 01.23年XNUMX月 18 新增了第 3 節, 時脈晶體精度測量

注意

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  6. 瑞薩電子產品根據以下兩個質量等級進行分類:“標準”和“高質量”。 每個瑞薩電子產品的預期應用取決於產品的質量等級,如下所示。
    • “標準”:計算機; 辦公用品; 通訊設備; 測試和測量設備; 視聽設備; 家
      電子設備; 機械工具; 個人電子設備; 工業機器人; ETC。
    • “高品質”:運輸設備(汽車、火車、輪船等); 交通管制(紅綠燈); 大型通訊設備; 關鍵金融終端系統; 安全控制設備; 等等。
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  14. 如果您對本文檔中包含的信息或瑞薩電子產品有任何疑問,請聯繫瑞薩電子銷售辦事處。
  • (注1) 本文件中使用的“瑞薩電子”是指瑞薩電子公司,還包括其直接或間接控制的子公司。
  • (注2) “瑞薩電子產品”是指由瑞薩電子開發或製造或為瑞薩電子開發或製造的任何產品。

(修訂版 5.0-1 年 2020 月 XNUMX 日)

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文件/資源

RENESAS RA MCU 系列 RA8M1 Arm Cortex-M85 微控制器 [pdf] 使用者指南
RA MCU 系列 RA8M1 Arm Cortex-M85 微控制器、RA MCU 系列、RA8M1 Arm Cortex-M85 微控制器、Cortex-M85 微控制器、微控制器

參考

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