具有集成MEMS振蕩器的RTC提高了計(jì)時(shí)精度

時(shí)間是我們不愿觀看、難以管理但又無法忘記的寶貴、有限的商品。在日常生活中幫助我們的無數(shù)電子設(shè)備的實(shí)用性很大程度上取決于它們跟蹤“實(shí)時(shí)”時(shí)間的能力，即我們用來標(biāo)記日常生活的秒、分鐘、小時(shí)、天和年生活。

與靜態(tài)電子設(shè)備相比，電池供電的便攜式、可穿戴和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備面臨著更加完全不同（甚至可能是極端）的操作和環(huán)境條件，靜態(tài)電子設(shè)備在可預(yù)測的環(huán)境條件下運(yùn)行，并提供永久電源。無論是發(fā)送最新的天氣報(bào)告還是計(jì)算鍛煉時(shí)消耗的平均卡路里，物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)設(shè)備都依賴于準(zhǔn)確可靠地跟蹤時(shí)間的能力，即使在寒冷和潮濕的環(huán)境中可能會(huì)受到劇烈的身體運(yùn)動(dòng)，或者炎熱潮濕的地方。

在本文中，我們展示了這些條件如何對基于晶體振蕩器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (RTC) 的性能規(guī)格產(chǎn)生負(fù)面影響，并展示了一種 RTC IC，它在需要耐用性性能的應(yīng)用中結(jié)合了更高的計(jì)時(shí)精度和更高的魯棒性-有。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘操作

大多數(shù) RTC IC 使用來自 32.768 kHz 晶體振蕩器的 1 Hz 時(shí)鐘信號，通過計(jì)數(shù)秒來保持時(shí)間和日期信息，這是大多數(shù)電子應(yīng)用使用的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)參考。時(shí)間和日期信息存儲(chǔ)在一組寄存器中，可通過通信接口（例如 I 2 C）訪問。晶體可以在 IC 外部或集成在同一封裝內(nèi)。

計(jì)時(shí)精度、穩(wěn)健性/堅(jiān)固性、功率和尺寸是選擇 RTC 時(shí)要考慮的關(guān)鍵規(guī)格。正如我們將要討論的那樣，每種方法的相對重要性都與選擇獨(dú)立 RTC IC 還是使用已集成到系統(tǒng)微控制器中的 RTC IC 的選擇有關(guān)。

計(jì)時(shí)精度

RTC 的計(jì)時(shí)只能與其使用的計(jì)時(shí)參考一樣準(zhǔn)確。不幸的是，典型的 32.768 kHz 音叉晶體在很寬的溫度范圍內(nèi)不是很準(zhǔn)確。由于其拋物線特性，該精度在室溫 (+25°C) 下通常為 ±20 ppm。這相當(dāng)于每天增加或減少 1.7 秒的時(shí)間，或每年增加或減少 10.34 分鐘。

如圖所示，精度在更高和更低溫度下顯著降低。這些溫度下的典型精度遠(yuǎn)低于 150 ppm，這相當(dāng)于每天損失近 13.0 秒的時(shí)間，或每年超過 1.3 小時(shí)。

此外，晶體被調(diào)諧為在特定電容負(fù)載下以正確的頻率振蕩——在設(shè)計(jì)為向晶體提供 6 pF 負(fù)載的 RTC 上使用調(diào)諧為 12.5 pF 負(fù)載的晶體會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘運(yùn)行過快。需要仔細(xì)的電路板布局和組裝，以盡量減少可能減慢時(shí)鐘的多余電容的影響。對于具有集成電容器的 RTC，時(shí)序精度受到 IC 制造商制造公差的限制。

圖 ：晶體精度與溫度的關(guān)系（圖片：Maxim Integrated）

堅(jiān)固性——沖擊和振動(dòng)

移動(dòng)和便攜式設(shè)備經(jīng)常受到機(jī)械沖擊和振動(dòng)。無論是健身追蹤器由于鍛煉運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)而經(jīng)歷的振動(dòng)，還是一件遙測設(shè)備從氣象氣球落回地球所經(jīng)歷的 G 力，每個(gè)用例都帶來了自己的一系列挑戰(zhàn).

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晶體振蕩器相對脆弱，使其容易受到更極端的沖擊和振動(dòng)的損壞。即使在更溫和的條件下運(yùn)行，它們也會(huì)因?yàn)槊磕甏蠹s ±1 ppm 的老化速度而失去精度。

堅(jiān)固性——溫度

在組裝過程中，印刷電路板反復(fù)經(jīng)受高溫（回流）。此過程會(huì)對 RTC 的準(zhǔn)確性產(chǎn)生不利影響。圖 顯示了典型回流操作（前和后）對基于晶體的 RTC 性能的影響，顯示了高達(dá) 5 ppm 的偏移。

圖 ：基于晶體的 RTC 回流前和回流后的時(shí)序精度（圖片：Maxim Integrated）

電流消耗和尺寸

雖然電流消耗和大小不直接相關(guān)，但它們是相互關(guān)聯(lián)的。許多應(yīng)用使用集成在系統(tǒng)微控制器中的基于晶體振蕩器的 RTC。雖然這減少了電路板 IC 的數(shù)量，但它可能會(huì)產(chǎn)生意想不到的后果，即阻止微控制器進(jìn)入超低功耗“深度睡眠”模式。

對于不連續(xù)使用的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，例如，僅在檢測到運(yùn)動(dòng)時(shí)喚醒以傳輸圖片的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)檢測器相機(jī)（否則保持睡眠模式），這一點(diǎn)很重要。必須保持準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)，即使在設(shè)備未使用時(shí)，典型的微控制器可能會(huì)消耗 60 0nA 以保持其 RTC 電路處于喚醒狀態(tài)，從而導(dǎo)致設(shè)備電池更快耗盡。

還應(yīng)注意，計(jì)時(shí)精度也由微控制器制造商決定?；谕獠?RTC IC 的解決方案提供了設(shè)計(jì)更準(zhǔn)確和更低功耗解決方案的靈活性。

平衡的性能

圖 顯示了 RTC IC 的功能框圖，它在前面討論的所有功能要求之間取得了最佳平衡。

圖 ：帶有集成 MEMS 振蕩器的 MAX31343 RTC（圖片：Maxim Integrated）

MAX31343 IC采用集成MEMS諧振器和振蕩器，與基于晶體振蕩器的RTC相比具有多項(xiàng)優(yōu)勢。時(shí)間變化僅為 ±5 ppm（或從 -40°C 到 85°C 時(shí)為 ±0.432 秒/天），它提供了 4 倍的計(jì)時(shí)精度提高，而變化可以忽略不計(jì)（由于老化或回流焊過程中的老化或回流，<±2 ppm板焊接） 。它也比基于晶體振蕩器的 RTC 更堅(jiān)固，能夠承受機(jī)械沖擊（高達(dá) 2900 G；5 次沖擊 × 6 軸，JESD22-B104C 條件 H）和振動(dòng)（可變頻率為 20 G；20/ 2000 Hz，JESD22-B103B 條件 1)。

它允許通過雙向 I 2 C 總線與微控制器進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信。為了獲得額外的冗余，該 RTC 使用集成的電壓基準(zhǔn)和比較器電路來監(jiān)控 V CC的狀態(tài)。這使其能夠檢測主系統(tǒng)是否可能出現(xiàn)電源故障，并在需要時(shí)自動(dòng)切換到備用電源（可充電電池或超級電容器）。

MAX31343 的典型工作電流為 940 nA，可通過額定 48 mAh 的 BR1225 鋰備用電池提供超過五年的計(jì)時(shí)。集成的涓流充電器可在正常運(yùn)行期間使備用電池充滿電。

其他有用的功能包括兩個(gè)可編程的時(shí)間警報(bào)、中斷輸出、無補(bǔ)償?shù)目删幊虝r(shí)鐘輸出和溫度補(bǔ)償?shù)目删幊谭讲ㄝ敵?。它采?2.1 × 2.3 mm 8 引腳 WLP 或 4 × 3 mm 8 引腳 TDFN 封裝，可在 1.6 V 至 5.5 V 的寬電源電壓范圍內(nèi)工作。

概括

電池供電的物聯(lián)網(wǎng)、便攜式和可穿戴電子設(shè)備預(yù)計(jì)將在廣泛變化的環(huán)境條件下運(yùn)行，并具有足夠的魯棒性以承受機(jī)械振動(dòng)和沖擊。這些條件會(huì)對常用的基于晶體振蕩器的 RTC 電路的精度和性能產(chǎn)生負(fù)面影響，從而影響它們對某些應(yīng)用的適用性。

使用集成 MEMS 振蕩器的 RTC IC 可提供卓越的計(jì)時(shí)精度，該精度受環(huán)境條件或機(jī)械沖擊和振動(dòng)的影響可忽略不計(jì)。在典型操作中消耗小于 1 μA，它適用于堅(jiān)固的應(yīng)用，包括工業(yè)傳感器、運(yùn)動(dòng)相機(jī)、手持儀器和可穿戴設(shè)備。

審核編輯：湯梓紅