RTC 设计，第 1 部分：实时时钟在自动化、物联网应用中仍然很重要

实时时钟 (RTC) 从来都不是系统中引人注目的组件。事实上，许多工程师不明白为什么需要 RTC。他们可能认为这是一个非常简单的设备，只是跟踪时间;此外，如今大多数微控制器都内置有 RTC 外设。

那么，系统工程师为什么要为 RTC 花费额外的钱并浪费更多的 PCB 空间呢?为什么独立的 RTC 还没有过时?本文将重点介绍 RTC 在不同应用中的重要性，并概述关键的 RTC 规格和相关的设计挑战。

在过去，在互联网普及之前，高精度 RTC 对于个人电脑、数字手表、摄像机和车辆等无数应用都必不可少。即使主电源关闭，RTC 也能跟踪时间。如果没有 RTC，用户每次打开设备时都需要设置时间和日期。

如今的电子设备都可以接入互联网或 GPS。一旦设备连接上网络，便可以非常轻松地获取准确的时间。对于那些拥有持续互联网连接的设备而言，高精度 RTC 可能真的变得没有必要，但这种好处是以高功耗为代价的。

为什么现在要使用 RTC

在过去十年中，随着各类自动化应用(例如家居、农业和工业)的兴起，数十亿台设备现已具备互联网功能。安全摄像头、照明、娱乐系统和家用电器等日常物品现在都可以连接到互联网;这些设备是物联网 (IoT) 潮流的一部分。然而，虽然电池供电的物联网设备正在推动物联网市场大幅增长，但始终连接到电源的设备也可能保持持续的互联网连接。

那么，RTC 是否就此终结了呢?并非如此;事实上，越来越多的 RTC 被用于许多自动化和物联网应用中。许多远程物联网传感器(如气象站)大多由电池供电，并根据预设的时间表进行测量或完成一组任务。这些设备无法承受持续启用无线收发器，因为这会很快耗尽电池电量。

事实上，工程师们花了很多心思来研究延长电池寿命的技术。大多数时候，这些电池供电的设备(甚至是微控制器)都处于深度睡眠模式，以便在没有任务要执行时最大限度地降低功耗。这些应用程序受益于极低功耗的 RTC，它可以不时唤醒系统来执行分配的任务。

虽然微控制器通常具有内置 RTC，但计时电流通常为微安级。另一方面，独立 RTC 在运行时仅消耗纳安级电流。例如，市场上的一款独立设备在计时模式下仅消耗 150 nA，并提供两个闹钟设置和两个可用于唤醒系统的中断引脚。

不要小看几微安和 150 纳安之间的差别。在设计具有长电池寿命的物联网应用时，每微安电流都至关重要。除了物联网应用之外，许多医疗设备还需要纳米功率 RTC;可穿戴心电图设备、助听器和医疗婴儿标签就是一些例子。

大多数电池供电设备的设计都非常小，便于携带或安装。由于独立的 RTC 位于微控制器外部，因此最好使用封装较小的 RTC。如果电路板空间有限，工程师可以选择带有集成谐振器的 RTC。目前，业内最小的带有集成谐振器的 RTC 采用 2.1×2.3 毫米、8 引脚 WLP 封装。

除了低功耗和小封装尺寸外，一些应用还需要在宽温度范围内实现高计时精度。例如，对于安装在现场的传感器而言，这是一个重要的考虑因素，因为现场的温度在一天中可能会发生很大波动。对于这些应用，更好的选择是具有温度补偿功能的 RTC，这将在本系列文章的第 2 部分中讨论。

带外部晶体谐振器的 RTC

经济高效的 RTC 通常需要外部谐振器，而 RTC 最常用的谐振器是 32.768 kHz 音叉石英晶体。为什么是 32.768 kHz?首先，32768 是 2 的幂，当此信号连接到 15 级触发器时，输出的是精确的 1 Hz 信号。RTC 使用这个 1 Hz 信号来驱动计时逻辑。但为什么是 32.768 kHz，而不是 131.072 kHz 或 1.024 kHz?要回答这个问题，我们需要了解频率和功耗之间的权衡。一般来说，晶体频率越高，电流消耗越大。因此，对于低功耗 RTC，晶体频率不能太高，也不能太低。晶体的大小与频率成反比。

这意味着较低频率的晶体在物理上更大，占用更多的电路板空间。因此，选择 32.768 kHz 作为功率和尺寸之间的最佳折衷。此外，人的可听范围是 20 Hz 至 20 kHz。如果频率低于 20 kHz，人们实际上可以听到晶体振动。而 32.768 kHz 是超出可听范围的第一个 2 的幂数。

通过在音叉尖端添加少量黄金来精细调整振动速度，石英晶体在工厂中经过校准，以在目标频率下振荡。在室温下，在指定的电容负载下，产生的时钟精度通常在±20 ppm 以内。单位 ppm 是百万分率的缩写，是通常用于时钟精度测量的单位。

在这种情况下，假设环境温度全年恒定为 25°C，则精度为 ±20 ppm 的 RTC 每年最多会出现 10.5 分钟的误差。计算方法很简单：

如果温度波动，累积误差可能会增加。如果买家愿意支付额外费用，供应商可以通过筛选工艺提供更高精度的晶体。然而，无论这些晶体在室温下有多高精度，频率仍然会受到以下三个因素的影响：

· 温度波动

· 利用负载电容进行频率牵引

· 老化

温度波动

音叉晶体频率是温度的函数，可以通过二阶方程来近似：

在哪里：

f 0是标称频率(32.768 kHz)

T 0为周转温度(25°C)

k 是音叉晶体的抛物线系数(典型值为 0.04 ppm/°C 2)

T 是环境温度

如频率误差与温度图(图 1 )所示，当温度偏离室温(25°C)时，频率变慢。

图 1该图显示了温度偏离室温后频率如何变慢。

为了保证最佳精度性能，环境温度必须调节在 25°C 左右。许多室内电池供电设备可能会将此 RTC 与外部晶体解决方案一起使用，从而节省成本并实现低功耗。

频率牵引

晶体的频率会受到其负载电容的影响。皮尔斯振荡器是 RTC 内部最常用的晶体振荡器电路(图 2)。它通常由晶体、反相器和负载电容组成。

图 2 RTC 内部集成了一个振荡器电路。

图3给出了由晶体和负载电容器组成的等效电路。

图 3等效电路基于晶体和负载电容。

图3所示电路中，RCL串联电路与C 0、C L并联产生谐振，其振荡频率公式如下：

在哪里：

R 1、 C 1和 L 1是晶体的运动参数

C 0是晶体端子之间的电容

F L为振荡频率，总有效电容

C T为总有效电容，C 1与(C L +C 0)串联

F S是晶体的串联谐振频率

由于 C 0 +C L远大于 C 1，因此 F L公式可以近似为

F L对 C L的导数表示频率变化(单位为 Hz)相对于负载电容变化。将其除以串联频率可计算出单位电容频率的变化率。此公式显示了不同负载电容值 C L的频率灵敏度：

此公式仅当 C L接近指定负载电容值时才具有良好的近似性。如果负载电容偏离指定值太多，振荡器可能无法完全运行，因为晶体和电容无法产生 180 度相移回到反相器的输入端。

为了降低成本和电路板空间占用，许多 RTC 都内置了工厂调整过的负载电容。它们应该与晶体指定的负载电容非常匹配。如果布局设计得当，则室温下的频率误差应该非常小。从晶体到 RTC 焊盘的 PCB 走线可能会为 C L带来额外的杂散电容。在市场上的一款 RTC 中，负载电容经过调整，可根据评估套件 PCB 布局获得最佳时钟精度。换句话说，评估套件中的杂散电容已包含在 C L中。

老化

老化是指晶体谐振频率随时间的变化。老化是由于晶体封装内的污染导致晶体质量随时间变化而引起的。一般来说，晶体的频率每年变化几 ppm，大多数变化发生在前两年。

将晶体暴露在高温环境中会加速老化速度。遗憾的是，除了不时校准晶体外，工程师几乎无能为力应对老化效应。一些 RTC 提供老化偏移寄存器，供用户手动调整时钟频率。