单片机中“晶体晶振”的常见问题及解决方法

shthdz16 · 发表于 2016-8-17 09:36:20

众所周知，在电子行业有这样一个形象的比喻：如果把MCU比作电路的“大脑”，那么晶振毫无疑问就是“心脏”了。同样，电路对“晶体晶振”（以下均简称：“晶振”）的要求也如一个人对心脏的要求一样，最需要的就是稳定可靠。晶振在电路中的作用就是为系统提供基本的频率信号，如果晶振不工作，MCU就会停止导致整个电路都不能工作。然而很多工程师对晶振缺乏足够的重视和了解，而一旦出了问题却又表现的束手无策，缺乏解决问题的思路和办法。
本文由唐辉电子资深人员总结整理，秉承“工匠精神”“专注精神”，深入全面地总结晶振在应用过程中的一些常见故障分析和解决方案，凝聚十数年的总结心得，值得一读和我们长期交友互动。
本文主要罗列出客户端常见的晶振不良问题及解决方法。希望能对广大工程师朋友有实质性的帮助。

一、晶振不起振问题归纳
1、物料参数选型错误导致晶振不起振
例如：某MCU需要匹配6PF的32.768KHz，结果选用12.5PF的，导致不起振。
解决办法：更换符合要求的规格型号。必要时请与MCU原厂或者我们确认。
2、内部水晶片破裂或损坏导致不起振
运输过程中损坏、或者使用过程中跌落、撞击等因素造成晶振内部水晶片损坏，从而导致晶振不起振。
解决办法：更换好的晶振。平时需要注意的是：运输过程中要用泡沫包厚一些，避免中途损坏；制程过程中避免跌落、重压、撞击等，一旦有以上情况发生禁止再使用。
3、振荡电路不匹配导致晶振不起振
影响振荡电路的三个指标：频率误差、负性阻抗、激励电平。
频率误差太大，导致实际频率偏移标称频率从而引起晶振不起振。
解决办法：选择合适的PPM值的产品。
负性阻抗过大太小都会导致晶振不起振。
解决办法：负性阻抗过大，可以将晶振外接电容Cd和Cg的值调大来降低负性阻抗；负性阻抗太小，则可以将晶振外接电容Cd和Cg的值调小来增大负性阻抗。一般而言，负性阻抗值应满足不少于晶振标称最大阻抗3-5倍。
激励电平过大或者过小也将会导致晶振不起振
解决办法：通过调整电路中的Rd的大小来调节振荡电路对晶振输出的激励电平。一般而言，激励电平越小越好，处理功耗低之外，还跟振荡电路的稳定性和晶振的使用寿命有关。
4、晶振内部水晶片上附有杂质或者尘埃等也会导致晶振不起振
晶振的制程之一是水晶片镀电极，即在水晶片上镀上一次层金或者银电极，这要求在万级无尘车间作业完成。如果空气中的尘埃颗粒附在电极上，或者有金渣银渣残留在电极上，则也会导致晶振不起振。
解决办法：更换新的晶振。在选择晶振供应商的时候需要对厂商的设备、车间环境、工艺及制程能力予以考量，这关系到产品的品质问题。
5、晶振出现漏气导致不起振
晶振在制程过程中要求将内部抽真空后充满氮气，如果出现压封不良，导致晶振气密性不好出现漏气；或者晶振在焊接组装过程中因为剪脚等过程中产品的机械应力导致晶振出现气密性不良；均会导致晶振出现不起振的现象。
解决办法：更换好的晶振。在制程和焊接组装过程中一定要规范作业，避免误操作导致产品损坏。
6、焊接时温度过高或时间过长，导致晶振内部电性能指标出现异常而引起晶振不起振
以32.768KHz直插型为例，要求使用178°C熔点的焊锡，晶振内部的温度超过150°C，会引起晶振特性的恶化或者不起振。焊接引脚时，280°C下5秒以内或者260°C以下10秒以内。不要在引脚的根部直接焊接，这样也会导致晶振特性的恶化或者不起振。
解决办法：焊接制程过程中一定要规范操作，对焊接时间和温度的设定要符合晶振的组装要求。如有疑问可与我们联系确认。
7、储存环境不当导致晶振电性能恶化而引起不起振
在高温或者低温或者高湿度等条件下长时间使用或者保存，会引起晶振的电性能恶化，可能导致不起振。
解决办法：尽可能在常温常湿的条件下使用、保存，避免晶振或者电路板受潮。
8、MCU质量问题、软件问题等导致晶振不起振
解决办法：目前市场上面MCU散新货、翻新货、拆机货、贴牌货等鱼龙混杂，如果没有一定的行业经验或者选择正规的供货商，则极易买到非正品。这样电路容易出现问题，导致振荡电路不能工作。另外即便是正品MCU，如果烧录程序出现问题，也可能导致晶振不能起振。
9、EMC问题导致晶振不起振
解决办法：一般而言，金属封装的制品在抗电磁干扰上优于陶瓷封装制品，如果电路上EMC较大，则尽量选用金属封装制品。另外晶振下面不要走信号线，避免带来干扰。
10、其他问题导致晶振不起振
请与与我们联系，帮您分析确认具体原因。

二、晶振其他不良问题归纳：
1、频率偏移超出正常值。
解决办法：当电路中心频率正偏时，说明CL偏小，可以增加晶振外接电容Cd和Cg的值。当电路中心频率负偏时，说明CL偏大，可以减少晶振外接电容Cd和Cg的值。
2、晶振在工作中出现发烫，逐渐出现停振现象。
排除工作环境温度对其的影响，最可能出现的情况是激励电平过大。
解决办法：将激励电平DL降低，可增加Rd来调节DL。
3、晶振在工作逐渐出现停振现象，用手碰触或者用电烙铁加热晶振引脚又开始工作。
解决办法：出现这种情况是因为振荡电路中的负性阻抗值太小，需要调整晶振外接电容Cd和Cg的值来达到满足振荡电路的回路增益。
4、晶振虚焊或者引脚、焊盘不吃锡。
出现这种情况一般来说引脚出现氧化现象，或者引脚镀层脱落导致。
解决办法：晶振的储存环境相当重要，常温、常湿下保存，避免受潮。另外晶振引脚镀层脱落，可能跟晶振厂商或者SMT厂商的制程工艺有关，需要进一步确认。
5、同一个产品试用两家不同晶振厂商的产品，结果不一样。
出现这种情况很好理解，不同厂商的材料、制程工艺等都不一样，会导致在规格参数上有些许差异。例如同样是+/-10ppm的频偏，A的可能大部分是正偏，B的可能大部分是负偏。
解决办法：一般来说在这种情况下，如果是射频类产品最好让晶振厂商帮忙做一些电路匹配测试，这样确保电路匹配的最好。如果是非射频类产品则一般在指标相同的情况下可以兼容。
6、晶振外壳脱落。
有时晶振在过回流焊后会出现晶振外壳掉落的现象；有些是因为晶振受到外力撞击等原因导致外壳脱落。
解决办法：SMT厂在晶振过回流焊之前，请充分确认炉温曲线是否满足晶振的过炉要求，一般来说正规的晶振厂商提供的datasheet中都会提供参考值。
如果是外力因素导致的脱落则尽量避免这种情况发生。
7、其他不良问题
请与与我们联系，帮您分析确认具体原因。

三、晶振设计、组装过程中的建议
1、在PCB布线时，晶振电路的走线尽可能的短直，并尽可能靠近MCU。尽量降低振荡电路中的杂散电容对晶振的影响。
2、PCB布线的时候，尽量不要在晶振下面走信号线，避免对晶振产生电磁干扰，从而导致振荡电路不稳定。
3、如果你的PCB板比较大，晶振尽量不要设计在中间，尽量靠边一些。这是因为晶振设计在中间位置会因PCB板变形产生的机械张力而受影响，可能出现不良。
4、如果你的PCB板比较小，那么建议晶振设计位置尽量往中间靠，不要设计在边沿位置。这是因为PCB板小，一般SMT过回流焊都是多拼板，在分板的时候产生的机械张力会对晶振有影响，可能产生不良。
5、在选择晶振的型号及规格参数时，工程师应尽量与晶振大厂商或者专业代理商确认，避免选择的尺寸或者指标不常用，导致供货渠道少、批量供货周期长而影响生产，而且在价格上也会处于被动。
6、带有晶振的电路板一般不建议用超声波清洗，避免发生共振而损坏晶振导致不良。
7、如果您在振荡电路设计过程中还有其他疑问，请随时与我们联系。我司联系方式请访问-上海唐辉电子官网。BTW，上海唐辉电子官网上，还有非常多的、质量非常高的、多年用心积累的FAE技术支持文件，供您参考，我们相信对您会有很大的、实质性的帮助。

虽然一般的晶振价格都比较便宜，在电路上也不那么起眼，但是晶振现在越来越受工程师的重视了。最直接的原因就是如果晶振出现异常，经常让工程师们抓狂，并且经常束手无策。因此选择一家好的晶振供应商就显得尤为重要了。唐辉电子从高端到低端的全方位覆盖，我们都在努力，希望能满足每一位客户的需求。希望我们一流的产品和丰富的经验能够给予您更多的帮助，我们也欢迎各位研发工程师和我们真诚交友、长期互动。
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