RTC 設(shè)計(jì)，第 1 部分：實(shí)時(shí)時(shí)鐘在自動(dòng)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(lái)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(jiǎn)單的設(shè)備，只是跟蹤時(shí)間;此外，如今大多數(shù)微控制器都內(nèi)置有 RTC 外設(shè)。

那么，系統(tǒng)工程師為什么要為 RTC 花費(fèi)額外的錢(qián)并浪費(fèi)更多的 PCB 空間呢?為什么獨(dú)立的 RTC 還沒(méi)有過(guò)時(shí)?本文將重點(diǎn)介紹 RTC 在不同應(yīng)用中的重要性，并概述關(guān)鍵的 RTC 規(guī)格和相關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

在過(guò)去，在互聯(lián)網(wǎng)普及之前，高精度 RTC 對(duì)于個(gè)人電腦、數(shù)字手表、攝像機(jī)和車(chē)輛等無(wú)數(shù)應(yīng)用都必不可少。即使主電源關(guān)閉，RTC 也能跟蹤時(shí)間。如果沒(méi)有 RTC，用戶每次打開(kāi)設(shè)備時(shí)都需要設(shè)置時(shí)間和日期。

如今的電子設(shè)備都可以接入互聯(lián)網(wǎng)或 GPS。一旦設(shè)備連接上網(wǎng)絡(luò)，便可以非常輕松地獲取準(zhǔn)確的時(shí)間。對(duì)于那些擁有持續(xù)互聯(lián)網(wǎng)連接的設(shè)備而言，高精度 RTC 可能真的變得沒(méi)有必要，但這種好處是以高功耗為代價(jià)的。

為什么現(xiàn)在要使用 RTC

在過(guò)去十年中，隨著各類(lèi)自動(dòng)化應(yīng)用(例如家居、農(nóng)業(yè)和工業(yè))的興起，數(shù)十億臺(tái)設(shè)備現(xiàn)已具備互聯(lián)網(wǎng)功能。安全攝像頭、照明、娛樂(lè)系統(tǒng)和家用電器等日常物品現(xiàn)在都可以連接到互聯(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(dòng)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)大幅增長(zhǎng)，但始終連接到電源的設(shè)備也可能保持持續(xù)的互聯(lián)網(wǎng)連接。

那么，RTC 是否就此終結(jié)了呢?并非如此;事實(shí)上，越來(lái)越多的 RTC 被用于許多自動(dòng)化和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中。許多遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)傳感器(如氣象站)大多由電池供電，并根據(jù)預(yù)設(shè)的時(shí)間表進(jìn)行測(cè)量或完成一組任務(wù)。這些設(shè)備無(wú)法承受持續(xù)啟用無(wú)線收發(fā)器，因?yàn)檫@會(huì)很快耗盡電池電量。

事實(shí)上，工程師們花了很多心思來(lái)研究延長(zhǎng)電池壽命的技術(shù)。大多數(shù)時(shí)候，這些電池供電的設(shè)備(甚至是微控制器)都處于深度睡眠模式，以便在沒(méi)有任務(wù)要執(zhí)行時(shí)最大限度地降低功耗。這些應(yīng)用程序受益于極低功耗的 RTC，它可以不時(shí)喚醒系統(tǒng)來(lái)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(jí)。另一方面，獨(dú)立 RTC 在運(yùn)行時(shí)僅消耗納安級(jí)電流。例如，市場(chǎng)上的一款獨(dú)立設(shè)備在計(jì)時(shí)模式下僅消耗 150 nA，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 納安之間的差別。在設(shè)計(jì)具有長(zhǎng)電池壽命的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時(shí)，每微安電流都至關(guān)重要。除了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之外，許多醫(yī)療設(shè)備還需要納米功率 RTC;可穿戴心電圖設(shè)備、助聽(tīng)器和醫(yī)療嬰兒標(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，便于攜帶或安裝。由于獨(dú)立的 RTC 位于微控制器外部，因此最好使用封裝較小的 RTC。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)內(nèi)最小的帶有集成諧振器的 RTC 采用 2.1×2.3 毫米、8 引腳 WLP 封裝。

除了低功耗和小封裝尺寸外，一些應(yīng)用還需要在寬溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高計(jì)時(shí)精度。例如，對(duì)于安裝在現(xiàn)場(chǎng)的傳感器而言，這是一個(gè)重要的考慮因素，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)的溫度在一天中可能會(huì)發(fā)生很大波動(dòng)。對(duì)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，而 RTC 最常用的諧振器是 32.768 kHz 音叉石英晶體。為什么是 32.768 kHz?首先，32768 是 2 的冪，當(dāng)此信號(hào)連接到 15 級(jí)觸發(fā)器時(shí)，輸出的是精確的 1 Hz 信號(hào)。RTC 使用這個(gè) 1 Hz 信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)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(wèn)題，我們需要了解頻率和功耗之間的權(quán)衡。一般來(lái)說(shuō)，晶體頻率越高，電流消耗越大。因此，對(duì)于低功耗 RTC，晶體頻率不能太高，也不能太低。晶體的大小與頻率成反比。

這意味著較低頻率的晶體在物理上更大，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。此外，人的可聽(tīng)范圍是 20 Hz 至 20 kHz。如果頻率低于 20 kHz，人們實(shí)際上可以聽(tīng)到晶體振動(dòng)。而 32.768 kHz 是超出可聽(tīng)范圍的第一個(gè) 2 的冪數(shù)。

通過(guò)在音叉尖端添加少量黃金來(lái)精細(xì)調(diào)整振動(dòng)速度，石英晶體在工廠中經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，以在目標(biāo)頻率下振蕩。在室溫下，在指定的電容負(fù)載下，產(chǎn)生的時(shí)鐘精度通常在±20 ppm 以內(nèi)。單位 ppm 是百萬(wàn)分率的縮寫(xiě)，是通常用于時(shí)鐘精度測(cè)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，則精度為 ±20 ppm 的 RTC 每年最多會(huì)出現(xiàn) 10.5 分鐘的誤差。計(jì)算方法很簡(jiǎn)單：

如果溫度波動(dòng)，累積誤差可能會(huì)增加。如果買(mǎi)家愿意支付額外費(fèi)用，供應(yīng)商可以通過(guò)篩選工藝提供更高精度的晶體。然而，無(wú)論這些晶體在室溫下有多高精度，頻率仍然會(huì)受到以下三個(gè)因素的影響：

· 溫度波動(dòng)

· 利用負(fù)載電容進(jìn)行頻率牽引

· 老化

溫度波動(dòng)

音叉晶體頻率是溫度的函數(shù)，可以通過(guò)二階方程來(lái)近似：

在哪里：

f 0是標(biāo)稱頻率(32.768 kHz)

T 0為周轉(zhuǎn)溫度(25°C)

k 是音叉晶體的拋物線系數(shù)(典型值為 0.04 ppm/°C 2)

T 是環(huán)境溫度

如頻率誤差與溫度圖(圖 1 )所示，當(dāng)溫度偏離室溫(25°C)時(shí)，頻率變慢。

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(huì)將此 RTC 與外部晶體解決方案一起使用，從而節(jié)省成本并實(shí)現(xiàn)低功耗。

頻率牽引

晶體的頻率會(huì)受到其負(fù)載電容的影響。皮爾斯振蕩器是 RTC 內(nèi)部最常用的晶體振蕩器電路(圖 2)。它通常由晶體、反相器和負(fù)載電容組成。

圖 2 RTC 內(nèi)部集成了一個(gè)振蕩器電路。

圖3給出了由晶體和負(fù)載電容器組成的等效電路。

圖 3等效電路基于晶體和負(fù)載電容。

圖3所示電路中，RCL串聯(lián)電路與C 0、C L并聯(lián)產(chǎn)生諧振，其振蕩頻率公式如下：

在哪里：

R 1、 C 1和 L 1是晶體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)

C 0是晶體端子之間的電容

F L為振蕩頻率，總有效電容

C T為總有效電容，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公式可以近似為

F L對(duì) C L的導(dǎo)數(shù)表示頻率變化(單位為 Hz)相對(duì)于負(fù)載電容變化。將其除以串聯(lián)頻率可計(jì)算出單位電容頻率的變化率。此公式顯示了不同負(fù)載電容值 C L的頻率靈敏度：

此公式僅當(dāng) C L接近指定負(fù)載電容值時(shí)才具有良好的近似性。如果負(fù)載電容偏離指定值太多，振蕩器可能無(wú)法完全運(yùn)行，因?yàn)榫w和電容無(wú)法產(chǎn)生 180 度相移回到反相器的輸入端。

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)整過(guò)的負(fù)載電容。它們應(yīng)該與晶體指定的負(fù)載電容非常匹配。如果布局設(shè)計(jì)得當(dāng)，則室溫下的頻率誤差應(yīng)該非常小。從晶體到 RTC 焊盤(pán)的 PCB 走線可能會(huì)為 C L帶來(lái)額外的雜散電容。在市場(chǎng)上的一款 RTC 中，負(fù)載電容經(jīng)過(guò)調(diào)整，可根據(jù)評(píng)估套件 PCB 布局獲得最佳時(shí)鐘精度。換句話說(shuō)，評(píng)估套件中的雜散電容已包含在 C L中。

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)的污染導(dǎo)致晶體質(zhì)量隨時(shí)間變化而引起的。一般來(lái)說(shuō)，晶體的頻率每年變化幾 ppm，大多數(shù)變化發(fā)生在前兩年。

將晶體暴露在高溫環(huán)境中會(huì)加速老化速度。遺憾的是，除了不時(shí)校準(zhǔn)晶體外，工程師幾乎無(wú)能為力應(yīng)對(duì)老化效應(yīng)。一些 RTC 提供老化偏移寄存器，供用戶手動(dòng)調(diào)整時(shí)鐘頻率。