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，只能记录时间;另外，现在大多数微控制器都具有内置 RTC 外设。

那么，为什么系统工程师要为 RTC 花费额外的钱并浪费更多的 PCB 空间呢?为什么独立 RTC 没有过时?本文将强调 RTC 在不同应用中的重要性，并概述关键的 RTC 规范和相关设计挑战。

早在互联网普及之前，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至关重要。即使主电源关闭，RTC 也会记录时间。如果没有 RTC，用户每次打开设备时都需要设置时间和日期。

当今的电子设备可以访问互联网或 GPS。设备连接后，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来说，高精度 RTC 可能确实变得不必要，但这种好处是以高功耗为代价的。

为什么现在选择 RTC

在过去的十年中，随着所有类型的自动化应用(例如家庭、农业和工业)的腾飞，数十亿设备现已支持互联网。安全摄像头、灯光、娱乐系统和电器等日常物品现在可以连接到互联网;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的大幅增长，但持续连接到电源的设备也可能保持持续的互联网连接。

那么，RTC 就这样结束了吗?并不真地;越来越多的 RTC 实际上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(例如气象站)大多由电池供电，并按预设时间表进行测量或完成一组任务。这些设备无法连续启用无线收发器，因为这会很快耗尽电池。

事实上，工程师们在延长电池寿命的技术上投入了大量的精力。大多数时候，这些电池供电的设备(甚至是它们的微控制器)都在深度睡眠模式下运行，以在没有任务执行时最大限度地降低功耗。这些应用受益于极低功耗的 RTC，可以不时唤醒系统以执行分配的任务。

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，市场上的一款独立器件在计时模式下仅消耗 150 nA 的电流，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 nA 之间的差异。在设计物联网应用以实现长电池寿命时，每一微安的电流都很重要。除了物联网应用之外，许多医疗设备也需要毫微功耗 RTC;可穿戴心电图设备、助听器和医用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，便于携带或易于安装。由于独立 RTC 位于微控制器外部，因此首选封装较小的 RTC。更好的是，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，业界最小的集成谐振器的 RTC 采用 2.1×2.3 mm、8 引脚 WLP 封装。

除了低功耗和小封装尺寸之外，一些应用还需要在宽温度范围内保持高计时精度。例如，对于安装在现场的传感器来说，这是一个重要的考虑因素，因为现场的温度一天中可能会波动很大。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，RTC 最常用的谐振器是 32.768 kHz 音叉石英晶体。为什么是 32.768kHz?首先，32768是2的幂。当这个信号连接到15级触发器时，输出是精确的1Hz信号。 RTC 使用该 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，电流消耗随着晶体频率的升高而增加。因此，对于低功耗RTC，晶振频率不能太高，也不能太低。晶体的尺寸与频率成反比。

这意味着较低频率的晶体物理尺寸更大并且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方案。此外，人的可听范围为 20 Hz 至 20 kHz。如果频率低于20kHz，人们实际上可以听到晶体振动。而32.768kHz是超出可听范围的2的第1次方。

石英晶体在工厂经过校准，通过在音叉尖端添加少量金来微调振动速度，从而以目标频率振荡。在室温下，在指定的电容器负载下，最终的时钟精度通常在 ±20 ppm 以内。单位 ppm 是百万分之一的缩写，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，±20 ppm 精度的 RTC 每年最多可能会出现 10.5 分钟的偏差。计算过程很简单：

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过程提供更高精度的晶体。然而，无论这些晶体在室温下有多精确，频率仍然会受到以下三个因素的影响：

· 温度波动

· 带负载电容的频率牵引

· 老化

温度波动

音叉晶体频率是温度的函数，可以用二阶方程近似：

在哪里：

f 0是标称频率 (32.768 kHz)

T 0是周转温度 (25°C)

k 是音叉晶体的抛物线系数(0.04 ppm/°C 2典型值)

T是环境温度

如频率误差与温度关系图(图 1 )所示，当温度偏离室温 (25°C) 时，频率会变慢。

图 1该图显示了温度偏离室温后频率如何变慢。

为了保证最佳的精度性能，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结合使用，从而提供成本节约和低功耗优势。

频率牵引

晶体的频率会受到其负载电容器的影响。皮尔斯振荡器是 RTC 内最常用的晶体振荡器电路(图 2)。它通常由晶体、逆变器和负载电容器组成。

图 2 RTC 内部集成了一个振荡器电路。

由晶体和负载电容器组成的等效电路如图 3所示。

图 3等效电路基于晶体和负载电容器。

在图3所示的电路中，RCL串联电路与C 0和C L并联谐振。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是总有效电容的振荡频率

C T是总有效电容，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公式可近似为

F L相对于 C L的导数表示相对于负载电容变化的频率变化(以 Hz 为单位)。除以串联频率即可计算出单位电容的频率变化率。此公式显示了不同负载电容值 C L 的频率灵敏度：

仅当 C L接近指定负载电容值时，该公式才是一个很好的近似值。如果负载电容偏离指定值太多，振荡器可能会完全无法工作，因为晶体和电容无法产生 180 度相移返回到逆变器的输入。

为了降低成本和电路板空间占用，许多 RTC 都内置了工厂调整的负载电容器。它们应该与晶体的指定负载电容非常匹配。如果布局设计得好，室温下的频率误差应该很小。从晶体到 RTC 焊盘的 PCB 走线可能会给 C L带来额外的杂散电容。在市场上的一款 RTC 中，负载电容器会根据评估套件 PCB 布局进行调整，以产生最佳时钟精度。换句话说，评估套件中的杂散电容已作为 C L的一部分包含在内。

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部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个 ppm，大部分变化发生在前两年。

将晶体暴露在高温环境中会加快老化速度。不幸的是，除了不时校准晶体之外，工程师对老化效应无能为力。一些RTC提供老化偏移寄存器，供用户手动调整时钟频率。