RTC 設(shè)計(jì)，第 1 部分：實(shí)時(shí)時(shí)鐘在自動化、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中仍然很重要

實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (RTC) 從來都不是系統(tǒng)中引人注目的組件。事實(shí)上，許多工程師不明白為什么需要 RTC。他們可能認(rèn)為這是一個(gè)非常簡單的設(shè)備，只能記錄時(shí)間;另外，現(xiàn)在大多數(shù)微控制器都具有內(nèi)置 RTC 外設(shè)。

那么，為什么系統(tǒng)工程師要為 RTC 花費(fèi)額外的錢并浪費(fèi)更多的 PCB 空間呢?為什么獨(dú)立 RTC 沒有過時(shí)?本文將強(qiáng)調(diào) RTC 在不同應(yīng)用中的重要性，并概述關(guān)鍵的 RTC 規(guī)范和相關(guān)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

早在互聯(lián)網(wǎng)普及之前，高精度 RTC 對于個(gè)人電腦、數(shù)字手表、攝像機(jī)和車輛等無數(shù)應(yīng)用至關(guān)重要。即使主電源關(guān)閉，RTC 也會記錄時(shí)間。如果沒有 RTC，用戶每次打開設(shè)備時(shí)都需要設(shè)置時(shí)間和日期。

當(dāng)今的電子設(shè)備可以訪問互聯(lián)網(wǎng)或 GPS。設(shè)備連接后，可以非常輕松地獲取準(zhǔn)確的時(shí)間。對于那些擁有持續(xù)互聯(lián)網(wǎng)連接的設(shè)備來說，高精度 RTC 可能確實(shí)變得不必要，但這種好處是以高功耗為代價(jià)的。

為什么現(xiàn)在選擇 RTC

在過去的十年中，隨著所有類型的自動化應(yīng)用(例如家庭、農(nóng)業(yè)和工業(yè))的騰飛，數(shù)十億設(shè)備現(xiàn)已支持互聯(lián)網(wǎng)。安全攝像頭、燈光、娛樂系統(tǒng)和電器等日常物品現(xiàn)在可以連接到互聯(lián)網(wǎng);這些設(shè)備是物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 潮流的一部分。然而，雖然電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正在推動物聯(lián)網(wǎng)市場的大幅增長，但持續(xù)連接到電源的設(shè)備也可能保持持續(xù)的互聯(lián)網(wǎng)連接。

那么，RTC 就這樣結(jié)束了嗎?并不真地;越來越多的 RTC 實(shí)際上被用于許多自動化和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中。許多遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)傳感器(例如氣象站)大多由電池供電，并按預(yù)設(shè)時(shí)間表進(jìn)行測量或完成一組任務(wù)。這些設(shè)備無法連續(xù)啟用無線收發(fā)器，因?yàn)檫@會很快耗盡電池。

事實(shí)上，工程師們在延長電池壽命的技術(shù)上投入了大量的精力。大多數(shù)時(shí)候，這些電池供電的設(shè)備(甚至是它們的微控制器)都在深度睡眠模式下運(yùn)行，以在沒有任務(wù)執(zhí)行時(shí)最大限度地降低功耗。這些應(yīng)用受益于極低功耗的 RTC，可以不時(shí)喚醒系統(tǒng)以執(zhí)行分配的任務(wù)。

雖然微控制器通常具有內(nèi)置 RTC，但計(jì)時(shí)電流通常為微安級。另一方面，獨(dú)立 RTC 在運(yùn)行時(shí)僅消耗納安級電流。例如，市場上的一款獨(dú)立器件在計(jì)時(shí)模式下僅消耗 150 nA 的電流，并提供兩個(gè)鬧鐘設(shè)置和兩個(gè)可用于喚醒系統(tǒng)的中斷引腳。

不要小看幾微安和 150 nA 之間的差異。在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)長電池壽命時(shí)，每一微安的電流都很重要。除了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之外，許多醫(yī)療設(shè)備也需要毫微功耗 RTC;可穿戴心電圖設(shè)備、助聽器和醫(yī)用嬰兒標(biāo)簽就是一些例子。

大多數(shù)電池供電設(shè)備的設(shè)計(jì)都非常小，便于攜帶或易于安裝。由于獨(dú)立 RTC 位于微控制器外部，因此首選封裝較小的 RTC。更好的是，如果電路板空間有限，工程師可以選擇帶有集成諧振器的 RTC。目前，業(yè)界最小的集成諧振器的 RTC 采用 2.1×2.3 mm、8 引腳 WLP 封裝。

除了低功耗和小封裝尺寸之外，一些應(yīng)用還需要在寬溫度范圍內(nèi)保持高計(jì)時(shí)精度。例如，對于安裝在現(xiàn)場的傳感器來說，這是一個(gè)重要的考慮因素，因?yàn)楝F(xiàn)場的溫度一天中可能會波動很大。對于這些應(yīng)用，更好的選擇是具有溫度補(bǔ)償功能的 RTC，這將在本系列文章的第 2 部分中討論。

帶外部晶體諧振器的 RTC

經(jīng)濟(jì)高效的 RTC 通常需要外部諧振器，RTC 最常用的諧振器是 32.768 kHz 音叉石英晶體。為什么是 32.768kHz?首先，32768是2的冪。當(dāng)這個(gè)信號連接到15級觸發(fā)器時(shí)，輸出是精確的1Hz信號。 RTC 使用該 1 Hz 信號來驅(qū)動計(jì)時(shí)邏輯。但為什么是 32.768 kHz 而不是 131.072 kHz 或 1.024 kHz?要回答這個(gè)問題，我們需要了解頻率和功耗之間的權(quán)衡。一般來說，電流消耗隨著晶體頻率的升高而增加。因此，對于低功耗RTC，晶振頻率不能太高，也不能太低。晶體的尺寸與頻率成反比。

這意味著較低頻率的晶體物理尺寸更大并且占用更多的電路板空間。因此，選擇 32.768 kHz 作為功率和尺寸之間的最佳折衷方案。此外，人的可聽范圍為 20 Hz 至 20 kHz。如果頻率低于20kHz，人們實(shí)際上可以聽到晶體振動。而32.768kHz是超出可聽范圍的2的第1次方。

石英晶體在工廠經(jīng)過校準(zhǔn)，通過在音叉尖端添加少量金來微調(diào)振動速度，從而以目標(biāo)頻率振蕩。在室溫下，在指定的電容器負(fù)載下，最終的時(shí)鐘精度通常在 ±20 ppm 以內(nèi)。單位 ppm 是百萬分之一的縮寫，是通常用于時(shí)鐘精度測量的單位。

在這種情況下，假設(shè)環(huán)境溫度全年恒定為 25°C，±20 ppm 精度的 RTC 每年最多可能會出現(xiàn) 10.5 分鐘的偏差。計(jì)算過程很簡單：

如果溫度波動，累積誤差可能會增加。如果買家愿意支付額外費(fèi)用，供應(yīng)商可以通過篩選過程提供更高精度的晶體。然而，無論這些晶體在室溫下有多精確，頻率仍然會受到以下三個(gè)因素的影響：

· 溫度波動

· 帶負(fù)載電容的頻率牽引

· 老化

溫度波動

音叉晶體頻率是溫度的函數(shù)，可以用二階方程近似：

在哪里：

f 0是標(biāo)稱頻率 (32.768 kHz)

T 0是周轉(zhuǎn)溫度 (25°C)

k 是音叉晶體的拋物線系數(shù)(0.04 ppm/°C 2典型值)

T是環(huán)境溫度

如頻率誤差與溫度關(guān)系圖(圖 1 )所示，當(dāng)溫度偏離室溫 (25°C) 時(shí)，頻率會變慢。

圖 1該圖顯示了溫度偏離室溫后頻率如何變慢。

為了保證最佳的精度性能，環(huán)境溫度必須調(diào)節(jié)在 25°C 左右。許多室內(nèi)電池供電設(shè)備可能會將此 RTC 與外部晶體解決方案結(jié)合使用，從而提供成本節(jié)約和低功耗優(yōu)勢。

頻率牽引

晶體的頻率會受到其負(fù)載電容器的影響。皮爾斯振蕩器是 RTC 內(nèi)最常用的晶體振蕩器電路(圖 2)。它通常由晶體、逆變器和負(fù)載電容器組成。

圖 2 RTC 內(nèi)部集成了一個(gè)振蕩器電路。

由晶體和負(fù)載電容器組成的等效電路如圖 3所示。

圖 3等效電路基于晶體和負(fù)載電容器。

在圖3所示的電路中，RCL串聯(lián)電路與C 0和C L并聯(lián)諧振。振蕩頻率公式如下：

在哪里：

R 1、C 1和 L 1是晶體的運(yùn)動參數(shù)

C 0是晶體端子之間的電容

F L是總有效電容的振蕩頻率

C T是總有效電容，C 1與 (C L +C 0 )串聯(lián)

F S是晶體的串聯(lián)諧振頻率

由于 C 0 +C L遠(yuǎn)大于 C 1，因此 F L公式可近似為

F L相對于 C L的導(dǎo)數(shù)表示相對于負(fù)載電容變化的頻率變化(以 Hz 為單位)。除以串聯(lián)頻率即可計(jì)算出單位電容的頻率變化率。此公式顯示了不同負(fù)載電容值 C L 的頻率靈敏度：

僅當(dāng) C L接近指定負(fù)載電容值時(shí)，該公式才是一個(gè)很好的近似值。如果負(fù)載電容偏離指定值太多，振蕩器可能會完全無法工作，因?yàn)榫w和電容無法產(chǎn)生 180 度相移返回到逆變器的輸入。

為了降低成本和電路板空間占用，許多 RTC 都內(nèi)置了工廠調(diào)整的負(fù)載電容器。它們應(yīng)該與晶體的指定負(fù)載電容非常匹配。如果布局設(shè)計(jì)得好，室溫下的頻率誤差應(yīng)該很小。從晶體到 RTC 焊盤的 PCB 走線可能會給 C L帶來額外的雜散電容。在市場上的一款 RTC 中，負(fù)載電容器會根據(jù)評估套件 PCB 布局進(jìn)行調(diào)整，以產(chǎn)生最佳時(shí)鐘精度。換句話說，評估套件中的雜散電容已作為 C L的一部分包含在內(nèi)。

老化

老化是指晶體諧振頻率隨時(shí)間的變化。老化是由于晶體封裝內(nèi)部的污染導(dǎo)致晶體質(zhì)量隨時(shí)間變化而引起的。一般來說，晶體的頻率每年變化幾個(gè) ppm，大部分變化發(fā)生在前兩年。

將晶體暴露在高溫環(huán)境中會加快老化速度。不幸的是，除了不時(shí)校準(zhǔn)晶體之外，工程師對老化效應(yīng)無能為力。一些RTC提供老化偏移寄存器，供用戶手動調(diào)整時(shí)鐘頻率。