為什么要使用獨(dú)立的RTC IC,而不是MCU嵌入式RTC

當(dāng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘 IC (RTC IC) 在 90 年代后期出現(xiàn)在半導(dǎo)體市場時(shí)，它們的主要目的是保持時(shí)間并以比簡單的時(shí)鐘計(jì)數(shù)器更有用的方式提供數(shù)據(jù)和時(shí)間信息。從那時(shí)起，這些產(chǎn)品不斷發(fā)展，引入了多項(xiàng)新功能，例如警報(bào)、看門狗、時(shí)間戳記錄、嵌入式內(nèi)存等。他們還將功耗降低到較淺的值。然而，近十年來，RTC 功能往往成為 MCU 中的集成功能（MCU-RTC），其性能類似于獨(dú)立的 RTC IC。

那么為什么要使用獨(dú)立的 RTC IC？此外，如果是這樣，適用于哪些應(yīng)用程序以及在多大程度上？

我們將研究在某些特定應(yīng)用中使用的獨(dú)立 RTC，例如物聯(lián)網(wǎng)，其中功率和準(zhǔn)確性是關(guān)鍵因素。特性和電氣參數(shù)的一對一比較可以幫助設(shè)計(jì)人員從獨(dú)立的 RTC IC 中獲得最大價(jià)值。

物聯(lián)網(wǎng)和其他低功耗應(yīng)用的關(guān)鍵要求

IoT 應(yīng)用程序包含多種類型的設(shè)備：從功能強(qiáng)大的多核智能手機(jī)到小型連接傳感器。然而，延長電池壽命是所有這些設(shè)備的共同需求。特別是，這一要求對于具有小型電池或由收集能量供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備至關(guān)重要。圖 1 顯示了低功耗 IoT 設(shè)備的典型框圖。MCU 管理設(shè)備的各種功能。它根據(jù)應(yīng)用條件決定開啟或關(guān)閉外設(shè)。各種功能的開/關(guān)時(shí)間管理是降低功耗的關(guān)鍵方法。如果 MCU 在不需要時(shí)進(jìn)入深度睡眠模式，并且時(shí)基足夠準(zhǔn)確，不會在喚醒信號和外設(shè)激活的實(shí)際需要之間產(chǎn)生顯著的時(shí)間偏移，則它會被最小化。

圖 1：典型的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

大多數(shù) RTC IC 具有非常靈活的中斷管理，允許從毫秒周期到每年周期喚醒主機(jī) MCU。即使 RTC 模式下的 MCU 具有相同的功能，RTC IC 的中斷管理完全獨(dú)立于軟件執(zhí)行，這允許 MCU 處于完全休眠模式并提高應(yīng)用程序的健壯性。

與 RTC 模式下的 MCU 電流消耗（在幾微安的范圍內(nèi)）相比，RTC IC 提供這些精確的中斷，電流消耗低于幾百納安——顯著降低了電流。

計(jì)時(shí)和備用電源

對于所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，保持時(shí)間至關(guān)重要。在沒有主電源的情況下，通過使用小電池或電容器來獲得事件發(fā)生和通信時(shí)隙的可靠信息。

當(dāng)只需要短時(shí)間計(jì)時(shí)（即更換電池或沒有電源線）時(shí)，使用電容器。在這些情況下，電流消耗不是唯一的相關(guān)參數(shù)；最小和最大電源電壓在計(jì)時(shí)持續(xù)時(shí)間中起著至關(guān)重要的作用。MCU 可以在 RTC 模式下工作，最低電壓為 1.65V，最高可承受 3.6V 電壓。專為備用電容器設(shè)計(jì)的獨(dú)立 RTC，例如 STMicroelectronics 的 M41T62，可在低至 1.0V 的電源電壓下保持時(shí)間，并可承受高達(dá) 4.5V 的電壓。這意味著，使用相同的電容器值作為備用電源，例如 1mF，鋰離子電池（最大電壓為 4.2V）作為主要電源，并假設(shè)能夠?qū)㈦娙萜髡嬲潆姷狡淅碚撟畲箅妷?，由?dú)立 RTC 供電的系統(tǒng)的可用能量約為 MCU-RTC 系統(tǒng)的 2.5 倍（5 mJ 對 1.9 mJ）。另一方面，對于相同的計(jì)時(shí)持續(xù)時(shí)間，獨(dú)立的 RTC 需要一個(gè)小而便宜的備用電容器。

表1：RTC模式下Standalone RTC與MCU的參數(shù)對比（典型值）

準(zhǔn)確性

時(shí)鐘精度是實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能的關(guān)鍵參數(shù)之一。時(shí)鐘精度反映在每天（或每月或每年）丟失或增加多少秒。通常，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，會同步時(shí)間信息以將時(shí)間誤差設(shè)置為零。在這種情況下，準(zhǔn)確性在很少與網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)備中扮演更重要的角色，而獨(dú)立的 RTC 為應(yīng)用程序帶來了顯著的好處。

獨(dú)立 RTC 和 MCU-RTC 均可校準(zhǔn)，以在 25°C 下實(shí)現(xiàn)正負(fù)幾個(gè) ppm。然而，大多數(shù) MCU 的校準(zhǔn)機(jī)制是以一種“開環(huán)”方式完成的，因?yàn)榉讲ㄝ敵觯ㄍǔ?512Hz）在校準(zhǔn)塊之前被帶出 MCU（見圖 2）。只有在不準(zhǔn)確度反映在 MCU-RTC 寄存器中后才能應(yīng)用校正量。例如，+2ppm 的誤差決定了一小時(shí)后+7.2 ms 的誤差（見表2）。由于大多數(shù) MCU-RTC 的寄存器映射中的最小值為數(shù)十毫秒，因此僅在大約一個(gè)半小時(shí)后才能檢測到這種不準(zhǔn)確度。

當(dāng)然，這樣的時(shí)間量在生產(chǎn)環(huán)境中是不受歡迎的，因?yàn)樵谛?zhǔn)時(shí)需要付出大量額外成本才能實(shí)現(xiàn)正負(fù)幾 ppm 的高精度。

圖 2：數(shù)字校準(zhǔn)與模擬校準(zhǔn)的比較

許多獨(dú)立的 RTC，例如 STMicroelectronics 的 M41T83，提供 512Hz 方波輸出，它實(shí)時(shí)反映校準(zhǔn)變化，因此只需使用頻率計(jì)數(shù)器即可快速執(zhí)行校準(zhǔn)。此外，半導(dǎo)體制造商通常提供帶有嵌入式晶體的獨(dú)立 RTC，出廠時(shí)已經(jīng)校準(zhǔn)為即用型校準(zhǔn)時(shí)鐘。

表 2：32kHz ppm 不準(zhǔn)確度和相關(guān)的時(shí)間損失/增益

噪聲容限

在工業(yè)或汽車等高噪聲環(huán)境中，作為 RTC 基礎(chǔ)的 32kHz 振蕩器必須足夠穩(wěn)健，不會產(chǎn)生抖動或停止振蕩。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，晶體的負(fù)載電容越高，振蕩器對噪聲的抵抗力就越強(qiáng)。通常使用負(fù)載電容為 12.5pF 的晶體，而當(dāng)噪聲靈敏度是關(guān)鍵要求時(shí)，則使用 6 或 7 pF 晶體。許多微控制器在“高驅(qū)動模式”下支持 12.5pF 晶體，與 6 或 7pF 晶體相比，這決定了額外的電流消耗。MCU-RTC 在高驅(qū)動模式下的典型電流消耗約為 1uA（見表 1）。獨(dú)立 RTC 設(shè)計(jì)用于 12.5pF，電流消耗低至 300nA 左右。這再次轉(zhuǎn)化為應(yīng)用的電流消耗降低。

成本

在介紹中，我們強(qiáng)調(diào)了 RTC 功能現(xiàn)在是任何現(xiàn)代 MCU 的基本功能，因此在某種程度上，MCU 制造商免費(fèi)贈送。相反，獨(dú)立 RTC 的成本在 BOM 中直接可見。然而，在精度或電流消耗是基本要求的情況下，使用獨(dú)立的 RTC 實(shí)際上可以節(jié)省成本：快速校準(zhǔn)的生產(chǎn)成本，使用更小的電池節(jié)省成本，或者由于更好的噪聲魯棒性而更輕的屏蔽?？傊鶕?jù)系統(tǒng)要求，獨(dú)立 RTC IC 的額外成本可能會被系統(tǒng)其他部分的成本節(jié)約所覆蓋：硬件、軟件或生產(chǎn)流程。

實(shí)際用例和待機(jī)生命周期場景

讓我們看一些實(shí)際示例，其中考慮了我們討論的所有元素，比較了獨(dú)立 RTC 和 MCU-RTC 的使用。

場景 1：主要能源：鋰離子電池

備用電源：超級電容器

在這種情況下，必須在特定條件下（例如更換電池或電池完全放電）短暫地保持時(shí)間。另一種類似的情況（數(shù)字略有不同）發(fā)生在交流供電設(shè)備中，其中備用電容器用于在停電時(shí)保持時(shí)間。微波爐就是一個(gè)典型的例子。

獨(dú)立 RTC 保證的備份時(shí)間是 MCU-RTC 的 4 倍。正如我們所看到的，其中一半時(shí)間是由于較低的電流消耗，另一半時(shí)間是由更寬的支持電壓供應(yīng)范圍提供的，該范圍將電容器能量壓縮到最大值（表 3）。

表 3：場景 1。3V 下的電流消耗為 330nA，4.2V – 1.0V 范圍內(nèi)的平均電流消耗為 350nA。

場景 2：主要能源：2xAAA 或 2xAA 電池

備用電源：超級電容器

在這種情況下，由電容器中存儲的能量給出的間隙在 RTC 和 MCU-RTC 之間減小。這是因?yàn)橹麟娫纯梢赃_(dá)到 3V 而不是 4.2V。如下表所示，兩種解決方案的備份時(shí)間相差不到1小時(shí)。僅考慮備份時(shí)間間隔，在這種情況下使用獨(dú)立 RTC 并沒有顯著優(yōu)勢。但是，在決定是否使用獨(dú)立 RTC 時(shí)，應(yīng)權(quán)衡其他考慮因素，例如準(zhǔn)確性或穩(wěn)健性。

表 4：場景 2

場景 3：主要能源：電源

備份來源：BR Coin cell

這是應(yīng)該能夠長時(shí)間保持時(shí)間的應(yīng)用程序的典型場景。像 BR1225 這樣的備用電池允許使用獨(dú)立 RTC 和 MCU-RTC 進(jìn)行數(shù)年計(jì)時(shí)。在下表中，未列出最大計(jì)時(shí)電壓，因?yàn)?BR 電池具有非常平坦的電壓與工作壽命（通常為 3V），因此最小備用電壓對計(jì)算沒有影響。獨(dú)立 RTC 增加的計(jì)時(shí)值只是因?yàn)槠漭^低的電流消耗。

表 5：場景 3

然而，電氣特性或成本降低并不是獨(dú)立 RTC 可以提供的唯一類型的好處。由于高溫暴露，諸如 BR1225 之類的鋰基電池?zé)o法承受波峰焊接 SMT 工藝。在這方面，意法半導(dǎo)體開發(fā)了一套完整的系統(tǒng)，簡化了流程。M41T11MH6F 等產(chǎn)品采用帶孔的定制 SO28 封裝。SO28 組件與任何其他表面貼裝封裝一樣焊接在 PCB 中。另一個(gè)定制包包含 BR1225（或 BR1632）電池和晶體，這個(gè)名為 SNAPHAT 的組件安裝在 M41T11MH6F 的頂部，從而為用戶提供一個(gè)完整的系統(tǒng)，可以支持波峰回流焊接工藝：RTC IC、電池和水晶。

結(jié)論

基于 MCU 的 RTC 滿足主要應(yīng)用需求，僅提供標(biāo)準(zhǔn)性能。當(dāng)應(yīng)用程序需要高性能時(shí)，獨(dú)立的 RTC 是必須的。

高精度、穩(wěn)健性和低功耗是需要獨(dú)立 RTC 的關(guān)鍵要求。兩種解決方案之間的比較應(yīng)該考慮系統(tǒng)的所有元素：從 BOM 到測試，再到 PCB 制造。
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