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如何設(shè)計(jì)RTC電路?

發(fā)布時(shí)間:2019-05-30 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】RTC為整個(gè)電子系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn),MCU、MPU、CPU均離不開RTC電路設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)、應(yīng)用RTC單元時(shí),常常會(huì)發(fā)現(xiàn)延時(shí)、超時(shí)或者功耗過大現(xiàn)象,如何解決RTC精度以及功耗問題呢?本文將為您介紹時(shí)鐘芯片PCF8563應(yīng)用設(shè)計(jì),并給出相應(yīng)的解決方法。
 
RTC(Real_Time Clock)為整個(gè)電子系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn),MCU、MPU、CPU均離不開RTC電路設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)、應(yīng)用RTC單元時(shí),常常會(huì)發(fā)現(xiàn)延時(shí)、超時(shí)或者功耗過大現(xiàn)象,如何解決RTC精度以及功耗問題呢?本文將為您介紹時(shí)鐘芯片PCF8563應(yīng)用設(shè)計(jì),并給出相應(yīng)的解決方法。
 
一、什么是RTC
實(shí)時(shí)時(shí)鐘(Real_Time Clock)簡(jiǎn)稱為RTC,主要為各種電子系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)。通常把集成于芯片內(nèi)部的RTC稱為片內(nèi)RTC,在芯片外擴(kuò)展的RTC稱為外部RTC,PCF8563是一款低功耗的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷外部芯片,支持可編程時(shí)鐘輸出、中斷輸出、低壓檢測(cè)等,與處理器通過I2C串行總線進(jìn)行通信,最大總線速率可達(dá)400kHz。
 
二、RTC精度設(shè)計(jì)
RTC的主要職責(zé)就是提供準(zhǔn)確的時(shí)間基準(zhǔn),計(jì)時(shí)不準(zhǔn)的RTC毫無價(jià)值可言。目前部分MCU在片內(nèi)已集成RTC,實(shí)際測(cè)試中在電池供電6小時(shí)環(huán)境下片內(nèi)RTC的偏差在1-2分鐘。因此,若對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘有較高的要求則需優(yōu)先考慮外擴(kuò)RTC,同時(shí)要求時(shí)鐘精度更高的RTC,比如PCF8563,表1所示是不同RTC的時(shí)鐘精度對(duì)比。
 
如何設(shè)計(jì)RTC電路?
表1  常見RTC時(shí)鐘精度對(duì)比
 
1)電路設(shè)計(jì)
 
RTC設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)約而不簡(jiǎn)單,時(shí)鐘芯片的選擇、晶振的選擇、電路設(shè)計(jì)、器件放置、阻抗控制、PCB走線規(guī)范均會(huì)影響RTC的時(shí)間基準(zhǔn)的穩(wěn)定性, 圖 1為RTC芯片PCF8563電路設(shè)計(jì)。
 
如何設(shè)計(jì)RTC電路?
圖1  PCF8563參考電路圖
 
2)晶體對(duì)地電容容值選擇
 
負(fù)載電容Cload= [ (Ca*Cb)/(Ca+Cb) ]+Cstray,其中Ca、Cb為接在晶體兩引腳到地的電容,Cstray為晶體引腳至處理器晶體管腳的走線電容(即雜散電容總和),一般Cstray的典型值取4~6pF之間;如要滿足晶體12.5pF負(fù)載電容的要求,Cload= [ (15*15)/(15+15) ]+5=12.5pF。
 
如何設(shè)計(jì)RTC電路?
圖2  常見時(shí)鐘電路
 
3)PCB布線
 
由于RTC的晶振輸入電路具有很高的輸入阻抗,因此它與晶振的連線猶如一個(gè)天線,很容易耦合系統(tǒng)其余電路的高頻干擾。而干擾信號(hào)被耦合到晶振引腳導(dǎo)致時(shí)鐘數(shù)的增加或者減少,考慮到線路板上大多數(shù)信號(hào)的頻率高于32.768kHz,所以通常會(huì)發(fā)生額外的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù),因此晶振應(yīng)盡可能靠近OSC1 和OSC2引腳放置,同時(shí)晶振、OSC1 和OSC2的引腳最好布成地平面,具體PCB布線如圖3所示。
 
如何設(shè)計(jì)RTC電路?
圖3  PCB布線
 
4)電路相關(guān)說明
 
如圖1所示,R56、R57為 I2C 總線上拉電阻,PCF8563中斷輸出及時(shí)鐘輸出均為開漏輸出,所以也需要外接上拉電阻,如圖1中的的R58、R59,若不使用這兩個(gè)信號(hào),對(duì)應(yīng)的上拉電阻可以不用。
 
對(duì)于PCF8563芯片,需外接時(shí)鐘晶振32.768kHz (如圖1的 X1),推薦使用±20ppm或更穩(wěn)定的晶振。PCF8563典型應(yīng)用電路推薦使用 15pF的晶振匹配電容,實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以作相應(yīng)的調(diào)整,以使RTC獲得更高精度的時(shí)鐘源。一般晶振匹配電容在15pF~21pF之間調(diào)整(相對(duì)于±20ppm精度的 32.768kHz晶振),15pF電容時(shí)時(shí)鐘頻率略偏高,21pF電容時(shí)時(shí)鐘頻率略偏低。
 
5)精度調(diào)整方法
 
1.設(shè)置PCF8563時(shí)鐘輸出有效(CLKOUT),輸出頻率為32.768kHz;
 
2.使用高精度頻率計(jì)測(cè)量CLKOUT輸出的頻率;
 
3.根據(jù)測(cè)出的頻率,對(duì) CB1、CB2、CB3作短接或斷開調(diào)整,頻率比32.768kHz偏高時(shí),加大電容值,頻率比32.768kHz偏低時(shí),減小電容值。
 
說明:圖1中的 C41、C42、C43的值在1pF~3pF之間,根據(jù)實(shí)際情況確定組合方式,以便于快速調(diào)整,推薦使用(3pF、3pF、3pF)、(1pF、2pF、3pF)、(2pF、3pF、4pF)。
 
三、RTC低功耗設(shè)計(jì)
很多RTC設(shè)計(jì)成可以只依靠一塊電池供電就能工作,如果主電源關(guān)閉,僅依靠一小塊鋰電池就能夠驅(qū)動(dòng)振蕩器和整個(gè)時(shí)鐘電路,如何降低RTC電路工作時(shí)功率消耗?
 
通過應(yīng)用幾種不同的方法可以降低RTC功耗:
 
選擇低功耗的RTC,比如PCF8563,表2所示是不同RTC的功率消耗對(duì)比
 
表2  常見RTC功率消耗對(duì)比
 
如何設(shè)計(jì)RTC電路?
 
RTC電源切換電路中,選擇漏電流小的二極管比如BAV74,當(dāng)系統(tǒng)電源電壓3.3V斷開時(shí),BT1鋰電池CR2032(3V/225mAh)通過二極管向RTC供電;
 
如何設(shè)計(jì)RTC電路?
圖4  RTC電源切換電路
 
盡量少而且合理地訪問RTC,減少I2C總線的動(dòng)態(tài)電流;
 
將 I2C 總線的上拉電阻設(shè)計(jì)得盡量大些,比如10k;
 
在應(yīng)用時(shí),通過設(shè)置寄存器關(guān)閉RTC的時(shí)鐘CLKOUT輸出。
 
 
 
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