智能电表用晶体谐振器选用及注意事项

总结和归纳，以作为相关人员的参考。

【关键词】晶体谐振器 智能电表 压电器件 注意事项

1晶体谐振器的简要介绍

晶体谐振器是利用石英晶体的压电效应制作的一种机-电振荡系统，是一个无源器件，它是组成晶体振荡器的核心部件。晶体谐振器主要由基座、石英晶片、镀于晶片表面的金属电极、导电胶以及外壳、其他辅助材料等部分组成。目前智能电表上常用的49S系列和SMD系列以及音叉型系列的实物结构可参见图1。

晶体谐振器的工作机理相当于电阻、电容和电感组成的一个典型的振荡电路，其原理图可参见图2，图中R1为晶体谐振器的等效串联电阻，L1为动态电感，C1位动态电容，C0为两引出电极之间构成的静电容。石英晶体具有稳定的物理和化学特性，因而其谐振频率也十分稳定，通常晶体谐振器的品质因素可达到数万〜上百万，此外，晶体谐振器具有十分优良的频率温度特性，可满足在宽温度范围稳定工作，己经成为电子线路中的一种重要元件，在涉及频率发生、稳频、选频等领域得到广泛应用。

近二十年来，压电晶体行业得到了快速发展，晶体谐振器已形成HC-49U、HC-49S、7050SMD、5032SMD、3225SMD、2520SMD等多种型号系列，产品日益向小型化发展，精度和可靠性也得到了极大的提升。随着SMT技术的发展，晶体谐振器产品也从此前单一的插件式逐步向表面贴装式发展，并逐渐成为后续发展的主流。

晶体谐振器的电性能主要由内部的石英晶片决定，由于不同切型的石英晶片具有不同的频率、阻抗以及频率一温度特性等特性。智能电表计量和载波等部位使用的MHz频段的晶体谐振器一般采用厚度切变模式-AT切型，而时钟线路中使用的32.768KHZ则采用厚度弯曲振动XY’音叉切型。另外，晶体谐振器具有负载频率牵引的特性，当串接的负载电容变化时会导致晶体的频率变化，因此我们必须对晶体谐振器的关键参数充分了解才能进行正确地选用和最大程度地避免失效发生。

2晶体谐振器的选用关注项目和参数

由于晶体谐振器的参数较多，我们实际选用中主要关注一些关键项目和参数。

2.1尺寸型号和安装方式

晶体谐振器有多种规格型号，尺寸最小的己经可以达到2.0mm*1.6mm，但是由于晶片的尺寸和频段存在密切关联，低频段产品采用的晶片尺寸较大，因此必须选用如HC-49S或HC-49U相对较大的规格型号；而频率大于20MHz的高频段尺寸选择的空间就很大。设计人员可根据整机对元器件的尺寸、晶体谐振器的技术参数要求来进行适配选择。

晶体谐振器的安装方式有插件式和表面贴装式两种，目前插件式和表面贴装式应用均比较广泛，随着整机SMT技术的导入，表面贴装式的产品需求呈增长趋势。表面贴装式产品具有使用安装效率高，运输过程防护好产品不易受损、大量节省人工等特点，缺点是同样型号的产品成本方面会较插件式的提高15-20%左右，具体设计和成本核算时需考虑到这方面因素。

2.2振荡模式

晶体谐振器工作时除了基频（Fund）外，还有机械谐波，我们通常称之为泛音（Overtone）。每一个AT切型晶体谐振器既有基波，也同时存在泛音，其泛音频率接近于基频的奇数倍，如：3、5、7……。通常在基频晶体谐振器设计时会通过电极设计尽可能对泛音进行抑制掉；而在泛音晶体设计时，则相反。由于相同频率的基频和泛音晶体其阻抗、动态参数差异很大，且泛音晶体使用的线路也和基频有区别，需要选频网络来确保能工作在泛音频率上。智能电表中采用的晶体谐振器通常用的基频，如需要泛音的应用时必须要注明几次泛音。

2.3标称频率

电表生产厂家设计人员需根据MCU和计量芯片相关技术手册推荐选定一个频率段或者确切的频率值。例如：STM32F207包含一个16MHz的内部晶体，推荐使用一个4〜26MHz的外置晶体提供主时钟，一个32.768kHz的外置晶体作为RTC时钟；计量芯片ATT7022E则直接规定使用5.5296MHz外置晶体。电表设计部门在下达晶体技术规格书时首先确保标称频率准确。

2.4负载电容

负载电容CL是组成振荡电路时的必备条件，负载电容在振荡电路中有两个作用：一是参与振荡，与晶体谐振器一起决定振荡器的工作频率，通过调整负载电容，可以将振荡频率调到标称值；二是起到稳频作用，增强对外部干扰的抵抗能力，使振荡电路频率保持在稳定的状态。由于负载电容的准确与否会直接影响到晶体谐振器工作频率的精度，因此设计时必须特别关注。

晶体谐振器的负载电容一般可分为两部分：晶体两端的负载电容值和线路杂散电容、布线电容，通常线路杂散电容和布线电容为3〜5pF。负载电容可参考相关芯片的技术手册进行选择，10pF〜30pF是比较常用的范围，具体可根据实际应用试验进行微调。

2.5激励电平

激励电平通常也叫激励功率，该参数是反映晶体在工作时消耗的有效功率，DL=I2*R。设计人员在制定晶体谐振器技术要求时可参考MCU和相关芯片技术手册推荐的激励功率值，也可进行线路实际测定后确定。

激励功率過大和过小会导致晶体谐振器工作不正常，如过小可能导致晶体谐振器不起振或振荡不稳定；如过大则可能导致谐波振动激发、晶体老化率增加，工作寿命降低等问题，严重的还会导致晶片损坏。AT切型MHz频段产品通常在lμW〜lOOμW之间选取，32.768KHZ产品的激励电平应小于lμW。

2.6工作温度范围

电表使用的工作环境存在地域的差异、季节的差异、室内和室外的差异等，温度变化范围相对较大。为保证电表能在不同的环境中正常工作，必须充分考虑工作温度范围。通常在电表设计时，按最恶劣的应用情况进行考虑，通常以-40°C〜85°C作为最大工作温度范围。常规温度范围为-20°C〜70°C，极限温度范围为-45°C〜90°C。

2.7频率偏差

频率偏差主要包括调整频差和温度频差。调整频差和温度频差具体可参考MCU和计量芯片相关技术手册进行确定，如果超过技术手册的要求会导致工作失效。但如果确定的精度过高，则成本也会相应增加，因此选用的原则是根据实际应用需求确定，适用、合理。

通常情况下，电表上使用的晶体谐振器调整频差需≤±30ppm，-20°C〜70°C温度频差≤±30ppm，-40°C〜85°C温度频差≤±50ppm。

2.8等效串联谐振电阻

等效串联电阻表征晶体谐振器在连续振荡中等效损耗，一般MHz频段的晶体谐振器电阻在几〜几百欧姆，而KHz频段的电阻在几十千欧姆〜几百千欧姆。该电阻值具体需根据相应MCU或芯片技术手册的要求来选择，不得大于技术手册所要求的最大等效电阻，并留有一定裕量。否则，可能会引起晶体不起振或振荡不稳定等问题。

3晶体谐振器的使用注意事项

由于石英晶体谐振器是一个比较精密的元件，因此使用过程必须加以注意，从而降低失效的风险。

3.1防止跌落和冲击

石英晶片具有硬脆的特点，虽然晶体谐振器可以抵抗一定的物理冲击，但在某些环境下晶体谐振器产品也会受到损坏，如晶体谐振器从桌子上掉落或者在安装过程受到冲击等，这种情况可能导致产品的损坏失效。因此实际使用时如发生产品受到冲击，应对产品进行测试确认后使用。

3.2避免晶体外壳进行锡焊接地

为防止电磁干扰的影响，在电表设计时有时会对晶体谐振器外壳提出接地的要求，有些电表生产厂家会对HC-49S系列产品晶体外壳采用锡焊接地来实现。由于晶体谐振器外壳通常是锌白铜等材质，表面镀镍，因此可焊性较差，必须用较高的焊接温度和时间才能实现锡焊，如此一来高温会损坏晶体内部组件，导致元件失效。针对该问题，如设计有外壳接地要求时，建议选用有接地引线的产品。无接地引线产品外壳需锡焊时，建议使用酸性助焊剂对焊接部位进行处理后再进行焊接，焊接温度不超过350°C，时间应小于3秒钟。

3.3超声波焊接和超声波清洗可能对产品造成损坏

音叉型32.768KHZ晶体不能进行超声波清洗，由于其结构的特殊性以及频率和超声波频率接近，容易引起机械共振，从而导致失效。MHz频段的产品可以进行超声波清洗，但是必须合理控制超声波功率和清洗时间，长时间的清洗也可能会导致晶体内部组件或外表面的损坏。超声波焊接由于会使元件产生较大的振动或摩擦，会增加元件失效的风险，在实际应用中曾发现个别HC-49SMD产品经过超声波焊接后会出现引线断的情况，因此在电能表生产时需进行评估。

3.4避免过高的焊接温度

电表生产时，焊接温度过高也会破坏产品特性，造成晶体元件的失效率上升，因此必须控制好焊接温度。通常，回流焊焊接条件应控制在260℃≤10S，手工焊接应控制350℃≤3S。

3.5避免接触腐蚀性液体或气体氛围

晶体使用中应避免接触腐蚀性液体或气体，存储环境也应确保远离这些因素。由于腐蚀性液体和气体可能导致晶体的引线氧化或损坏，造成可焊性不良问题；外壳被腐蚀后轻则会造成外观问题，严重的会加速产品失效。

参考文献

[1]史振華，石英晶体元器件的设计与制造[J].压电晶体技术编辑部，2001（11）.

[2]王青，晶振与电能表误差的关系[J].电源技术应用，2013（04）.

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