RTC時鐘偶發(fā)性延時和超前現(xiàn)象解決方案

在非常溫的工作環(huán)境下，RTC時鐘出現(xiàn)偶發(fā)性的延時或者超時現(xiàn)象，成熟的RTC電路設(shè)計看似簡單，但如何保證RTC時鐘的精確度；在出現(xiàn)偶發(fā)性異?，F(xiàn)象時，如何快速定位和解決問題；本文將分享一個案例。

一、案例情況

工控板使用了NXP的PCF8563 RTC 芯片方案，在研發(fā)做環(huán)境溫度摸底測試的時候， RTC時鐘出現(xiàn)偶發(fā)性延時或者超前現(xiàn)象，于是研發(fā)展開一系列的問題定位。

二、排查分析

1、工控板使用了NXP的PCF8563 RTC 芯片方案，該方案是外置32.768kHz的石英晶體和電容，該RTC芯片的輸出精度取決于其外接的石英晶體輸出的時鐘頻率是否精準(zhǔn)。石英晶體本身輸出頻率帶有一定的誤差，常溫25℃下，頻率的誤差為±20ppm，平均誤差可達(dá)5分鐘/年。且隨著時間的增加，晶體電路元件的緩慢變化會造成長期性的頻率漂移。同時，在外部溫度較為極端的時候，時鐘震蕩回路可能出現(xiàn)異常，影響到RTC的正常計時。

2、工控板RTC芯片供電電池選用了型號為CR2032的鋰二氧化錳電池，該電池理論工作溫度范圍是-30℃~60℃。和其他鋰電池類似，若外部溫度較為極端的時候，會改變其內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致電池壽命的降低或者電壓異常的風(fēng)險，從而影響RTC電路的正常工作。

圖 1 PCF8563參考電路圖

三、解決方案

極限溫度下長時間的高精度保證，有以下的解決方案：

1、選擇帶有溫度補償?shù)腞TC芯片如EPSON的RX-8025T。這款芯片是內(nèi)置32.768kHz的晶體，具有高精度的溫度補償功能，輸出的波形都是經(jīng)過溫度補償校準(zhǔn)過的，這樣可以提高RTC的穩(wěn)定性和精度。因為內(nèi)嵌的晶體已經(jīng)經(jīng)過高溫老化處理，比獨立的晶體有更好的穩(wěn)定性，精度誤差在-40℃~85℃范圍內(nèi)小于±5ppm。

2、選擇工業(yè)級電池（例如：FANSO ER14505），理論上在工作溫度-40~85°范圍內(nèi)能正常工作。參考電路圖如圖2所示：

圖 2 RX-8025T參考電路圖

由圖2可知，RTC芯片工作電源由系統(tǒng)VCC_3.3電源和電池電源兩部分組成。此電源電路的設(shè)計目的是當(dāng)有外部電源供電時，RTC時鐘工作時使用由外部電源經(jīng)LDO轉(zhuǎn)化而來的VCC_3.3電源，當(dāng)外部電源停止供電時就自動切換到電池電源供電。這樣可以保證RTC芯片一直能夠正常地工作，同時可以延長電池的使用時間。此電路的設(shè)計如以下所述：

1）電源切換電路設(shè)計

由RX-8025T芯片的數(shù)據(jù)手冊上可知，其工作電壓范圍是1.7V到5.5V；系統(tǒng)電源為3.3V、工業(yè)級電池ER14505電壓為3.6V；可以通過二極管的正向?qū)ㄌ匦詠碜詣忧袚Q系統(tǒng)電源和電池電源的供電狀態(tài)，使得RTC芯片能夠保持正常工作狀態(tài)。

由于系統(tǒng)電源電壓為3.3V，電池電壓為3.6V；如果要做到優(yōu)先使用系統(tǒng)電源，那么就需要系統(tǒng)電源經(jīng)過二極管后的電壓比電池經(jīng)過二極管后的電壓要高，這樣才能保證由系統(tǒng)電源優(yōu)先工作。可以通過選擇兩只不同管壓降的二極管來實現(xiàn)，二極管SS14的正向?qū)妷簽?.2V左右，1N4148的正向?qū)妷簽?.7V左右。那么可以在系統(tǒng)電源線路上串接一只SS14二極管，而在電池供電線路上串接一只1N4148二極管；這樣當(dāng)外部供電時，系統(tǒng)電源經(jīng)過SS14后得到的電壓值大于電池經(jīng)過1N4148后的電壓值，此時由主電源供電；當(dāng)外部電源停止供電后，電路自動切換成電池供電狀態(tài)。

圖 3 電源切換電路

2）電壓滯后處理

ER14505電池是一種供電電壓為3.6V ，容量為2700mAh的鋰亞硫酰氯電池；它的自身容量損耗極小，可以忽略不計。以待機電流為20uA計算，電池的供電可以達(dá)15年左右。

但是在實際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)電源長期供電后，突然切換到電池供電時發(fā)生電壓不足，導(dǎo)致RTC時鐘出現(xiàn)異常，其根本原因是電池發(fā)生了鈍化現(xiàn)象。

當(dāng)RTC芯片由系統(tǒng)電源供電時，鋰電池相當(dāng)于閑置開路，如果電池閑置的時間過長，那么電池的內(nèi)部會產(chǎn)生鈍化膜，而切換到鋰電池供電時，如果滯后的電壓低于時鐘芯片的工作電壓，那么時鐘芯片就會完全“失壓”，系統(tǒng)時鐘就會恢復(fù)到初始時間，導(dǎo)致時鐘工作異常。為了消除這種現(xiàn)象的影響，我們可以通過在時鐘芯片的電源上增加儲能電容，以消除這種影響。

圖 4 電壓滯后處理電路圖

3）控制鈍化膜生成

電池的鈍化膜是由于電池長時間處于閑置開路狀態(tài)而形成的，那么我們可以使電池一直維持在一個較小的電流放電工作狀態(tài)，這樣可以減緩電池的鈍化膜生成的速度。通過選擇合適的電阻值，使電池處于放電狀態(tài)，比如放電電流控制在待機電流20uA左右，這樣電池容量足夠支撐15年左右，同時不會使鈍化膜過厚而出現(xiàn)電壓滯后導(dǎo)致RX-8025T完全掉電現(xiàn)象，從而影響RTC時鐘的正常工作。

當(dāng)系統(tǒng)電源供電時，Q1導(dǎo)通，由電池BT1、R1、Q1形成回路，實現(xiàn)電池的放電狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)電源停止供電時，Q1截至，電池經(jīng)過D2給RTC芯片U1供電。經(jīng)實測時鐘芯片及電池內(nèi)阻自放電的電流為8uA左右，那么我們需要控制的電阻R1的阻值為3.6V/（20-8）uA=300k。

圖 5 控制鈍化膜電路圖

4）PCB設(shè)計

在PCB layout的時候需要注意RX-8052T與MCU的I2C走線應(yīng)該越短越好，并且遠(yuǎn)離高頻、高電流的信號線。同時旁路電容也應(yīng)該靠近RX-8025T的電源端，并增加地線敷銅的面積，以防止干擾的產(chǎn)生。

四、總結(jié)

致遠(yuǎn)電子嵌入式產(chǎn)品經(jīng)過近二十年的設(shè)計經(jīng)驗積累，從產(chǎn)品的RTC時鐘，電源管理，ESD防護電路，各類通訊接口等方面全面保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性。致遠(yuǎn)電子從2001年從8位單片機方案設(shè)計開始，逐步掌握ARM7、ARM9、Cortex-A7、A8、A9、M7以及最前沿的A53等ARM體系的處理器應(yīng)用技術(shù)，擁有全系列的工業(yè)級ARM核心板與工控機。同時，基于對嵌入式技術(shù)的理解與積累，我們自主研發(fā)下一代軟件開發(fā)平臺－Aworks實時操作系統(tǒng)，幫助用戶基于穩(wěn)定的軟硬件平臺快速實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)，基于ZLG工業(yè)級核心板/工控板開發(fā)的產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于電力、軌道交通、工業(yè)現(xiàn)場、醫(yī)療等對產(chǎn)品可靠性要求較為苛刻的場合，并不斷深入為各行業(yè)提供整套行業(yè)應(yīng)用解決方案。