利用RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的低功耗

IoT(Internet of things)，物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)辟了大量新應(yīng)用，并產(chǎn)生了更多對(duì)監(jiān)控或者控制功能的渴望。不幸的是，功耗也隨著功能的增加而增加。這是考慮整個(gè)系統(tǒng)功耗需求的出發(fā)點(diǎn)。大量的功能模塊消耗很大的電流。幸運(yùn)的是，并非所有功能都需要在最大的功耗模式下持續(xù)工作。那么目標(biāo)就是關(guān)閉當(dāng)下不需要的一切功能以減小功耗。一個(gè)設(shè)備始終一直在工作的就要求超低功耗?？梢钥紤]使用RTC，因?yàn)镽TC實(shí)時(shí)時(shí)鐘是一直在工作的。

性能很好的RTC模塊在全速運(yùn)行時(shí)的功耗低至60 nA。這樣的RTC在保持時(shí)間的同時(shí)能夠定期打開(kāi)系統(tǒng)控制器來(lái)檢查動(dòng)作。通常能將當(dāng)前總體功耗降低> 90％已經(jīng)被證明是可以實(shí)現(xiàn)的。

本文不僅指出了應(yīng)用中額外電流可能泄漏的痛點(diǎn)和敏感點(diǎn)，而且還提出了減少影響的措施。

目錄

1.低功率1低功耗

2.比較LED，無(wú)源LCD，MCU低功耗，RTC，低功耗RTC

3.在系統(tǒng)級(jí)別上進(jìn)行低功耗劃分

4.控制活動(dòng)級(jí)別

5.關(guān)鍵器件RTC模塊的選擇

6.結(jié)果和結(jié)論

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低功率1低功耗

**今天一切都聲稱是低功率（LP）。下一代應(yīng)用程序可能只有輕微的功率減小就已經(jīng)貼上了低功率LP標(biāo)簽。對(duì)于電池供電的系統(tǒng)，必須考慮實(shí)際的電流消耗與電池容量的關(guān)系。

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1.1 電流消耗

可穿戴式，便攜式和許多IoT應(yīng)用被迫使用最少的能量以減小功耗。利用低電壓電源是一個(gè)很好的起點(diǎn)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)耗散都具有歐姆特性。選擇并優(yōu)化電路以實(shí)現(xiàn)最低功耗。不同元件的比較說(shuō)明了單個(gè)電流消耗的大?。?a target="_blank">微控制器單元（MCU）不需要連續(xù)運(yùn)行！

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比較LED，無(wú)源LCD，MCU低功耗，RTC，低功耗RTC

假設(shè)：3.0 V的電源電壓

2.1 電池容量

下面幾個(gè)參數(shù)使得鋰電池（或鋰電池組）非常受歡迎：

• 電源電壓相對(duì)較高，為4.2 ... 3.9 V，非常適合具有峰值功率的電源功能
• 每體積容量高，每重量容量高
• 可觀的充電/放電循環(huán)次數(shù)
• 提供各種容量，例如幾千毫安

使用可充電電池是保持系統(tǒng)始終處于活動(dòng)狀態(tài)的理想選擇。關(guān)鍵參數(shù)是：

• 低泄漏，因此自放電小
• 非常適合給低功耗RTC和記憶功能提供供電

作為備用電池，紐扣電池也很受歡迎：

例如一次性電池Li 2032 CR2032 MFRR，它是

• 體積小：?20毫米，厚度3.2毫米
• 恒定電源電壓：3.0 V
• 容量：225 mAh
• 低成本
• 大量供應(yīng)商：Renata，Duracell，Varta…
• 高可用性

2.2 運(yùn)行時(shí)間

電流消耗隨時(shí)間變化：

示例：無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊。功能：根據(jù)控制系統(tǒng)的變化定期檢查傳感器，并且將大偏差值傳輸?shù)交?。（Implementation A）在典型情況下，動(dòng)作發(fā)生在時(shí)間a）的隨機(jī)點(diǎn)。動(dòng)作b）消耗最大電流。微控制器c）一直在運(yùn)行以及時(shí)準(zhǔn)備好以捕獲必要的動(dòng)作。集成在微控制器d）中的RTC允許對(duì)動(dòng)作加時(shí)間戳。e）顯示了總的電流消耗。

借助LOW POWER RTC模塊(Implementation B），微控制器僅定期起來(lái)查看是否有動(dòng)作要處理c'），其他沒(méi)有事件處理的時(shí)間恢復(fù)到休眠模式，因此平均電流c''）可能降低到技術(shù)上的最小值。在實(shí)際情況下，動(dòng)作時(shí)間（MCU處理事件）可能只是持續(xù)時(shí)間很短，只占整個(gè)時(shí)間段的一小部分，因此節(jié)省f）代表了主要部分。

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在系統(tǒng)級(jí)別上進(jìn)行低功耗劃分

在設(shè)計(jì)早期階段考慮供電架構(gòu)架構(gòu)是一種良好的做法。電源線應(yīng)按照不同功能塊可以完全關(guān)閉的方式進(jìn)行布線。

3.1 過(guò)程監(jiān)視模塊的通用示例

a）理想情況下，所有傳感器都會(huì)連續(xù)激活（每秒1000次），但這是至關(guān)重要的嗎？仔細(xì)研究每個(gè)單獨(dú)的塊可以探索降低功耗的潛力，只需延長(zhǎng)采樣之間的時(shí)間。

b）傳感器1：只要溫度<55°C，每分鐘只需讀取一次。當(dāng)溫度高于55°C，必須每10秒檢查一次。

c）傳感器2：水位不能快速變化，因此每15分鐘檢查一次就足夠了。

d）通信：通信模塊將在固定時(shí)間每天通信一次，或者在參數(shù)超過(guò)臨界限值時(shí)立即通信。

3.2 關(guān)鍵點(diǎn)

關(guān)閉電源后，檢查所有線路的漏電流。標(biāo)準(zhǔn)FET開(kāi)關(guān)很容易泄漏幾μA數(shù)量級(jí)的電流。具有開(kāi)漏配置的通信線路也是潛在的漏電流來(lái)源。確保上拉電阻連接到控制器電源。用于開(kāi)關(guān)電源的二極管必須是低泄漏肖特基型。

必須關(guān)閉測(cè)試頻率輸出并配置為最低功耗。

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控制活動(dòng)級(jí)別

在以下情況下達(dá)到最低的系統(tǒng)功耗：

• 只有一個(gè)超低功耗設(shè)備始終保持開(kāi)啟狀態(tài)，控制定期喚醒并保持時(shí)間。
• 關(guān)閉所有其他塊，如果不可行，該模塊需要進(jìn)入休眠狀態(tài)或最低功耗空閑模式。這可能意味著>> 95％的時(shí)間內(nèi)唯一的需要供電的電路是RTC模塊。

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選擇關(guān)鍵器件： RTC模塊

RTC模塊優(yōu)于具有單獨(dú)Xtal的通用RTC，尤其適用于物聯(lián)網(wǎng)和電源關(guān)鍵應(yīng)用。將RTC電路與32 kHz晶振集成到模塊中最少有5個(gè)參數(shù)得到優(yōu)化：

• 由于晶體與振蕩器的匹配相應(yīng)地優(yōu)化，因此精度更高。室溫下的容差限制在±2到±20 ppm之間，而外部晶體的RTC由于匹配的擴(kuò)散導(dǎo)致±30 ... 35 ppm。
• 外形尺寸小得多，與標(biāo)準(zhǔn)封裝中的晶體尺寸大致相同：1.5 x 3,2mm。
• 由于振蕩器電路采用密封封裝，外部無(wú)法觸及高阻抗觸點(diǎn)，因此可承受惡劣的環(huán)境條件，如潮濕和灰塵污染。晶體和RTC電路的距離非常小降低了對(duì)雜散信號(hào)耦合的敏感性。
• 包裝的設(shè)計(jì)保證了出色的溫度跟蹤。這種行為是準(zhǔn)確補(bǔ)償石英拋物線溫度特性的基礎(chǔ)。在-40°C至+ 85°C范圍內(nèi)，可以做到公差±3 ppm即大概誤差2秒/周。
• 還可提供時(shí)間戳或用于切換備用電池的集成開(kāi)關(guān)等附加功能。
• 獨(dú)立的RTC模塊可以作為完全獨(dú)立的看門(mén)狗來(lái)監(jiān)控執(zhí)行期間的軟件。

RTC模塊非常適合在應(yīng)用級(jí)別上節(jié)省功耗：

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結(jié)果和結(jié)論

有許多應(yīng)用需要一次高計(jì)算能力來(lái)處理數(shù)據(jù)并在很短的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行特殊任務(wù)。之后系統(tǒng)可以回退到空閑模式。增加一個(gè)專用的低功耗RTC模塊來(lái)調(diào)度喚醒功能可將功耗降至最低。

將微控制器與低功耗RTC模塊相結(jié)合

提高了系統(tǒng)性能：

• 最低功率預(yù)算
• 節(jié)省備用電源的成本：只需要一個(gè)更小的電池
• 準(zhǔn)確的時(shí)間
• 自主看門(mén)狗功能

作者: Markus Hintermann, Product Manager Micro Crystal AG