RTC時(shí)鐘偶發(fā)性延時(shí)或超時(shí)怎么辦？

　　在非常溫的工作環(huán)境下，RTC時(shí)鐘出現偶發(fā)性的延時(shí)或者超時(shí)現象，成熟的RTC電路設計看似簡(jiǎn)單，但如何保證RTC時(shí)鐘的精確度;在出現偶發(fā)性異?，F象時(shí)，如何快速定位和解決問(wèn)題;本文將分享一個(gè)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(shí)候， RTC時(shí)鐘出現偶發(fā)性延時(shí)或者超前現象，于是研發(fā)展開(kāi)一系列的問(wèn)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(shí)鐘頻率是否精準。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5分鐘/年。且隨著(zhù)時(shí)間的增加，晶體電路元件的緩慢變化會(huì )造成長(cháng)期性的頻率漂移。同時(shí)，在外部溫度較為極端的時(shí)候，時(shí)鐘震蕩回路可能出現異常，影響到RTC的正常計時(shí)。

　　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(lèi)似，若外部溫度較為極端的時(shí)候，會(huì )改變其內部的化學(xué)反應，導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(cháng)時(shí)間的高精度保證，有以下的解決方案：

　　1、選擇帶有溫度補償的RTC芯片如EPSON的RX-8025T。這款芯片是內置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(guò)溫度補償校準過(guò)的，這樣可以提高RTC的穩定性和精度。因為內嵌的晶體已經(jīng)經(jīng)過(guò)高溫老化處理，比獨立的晶體有更好的穩定性，精度誤差在-40℃~85℃范圍內小于±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VCC_3.3電源和電池電源兩部分組成。此電源電路的設計目的是當有外部電源供電時(shí)，RTC時(shí)鐘工作時(shí)使用由外部電源經(jīng)LDO轉化而來(lái)的VCC_3.3電源，當外部電源停止供電時(shí)就自動(dòng)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(shí)可以延長(cháng)電池的使用時(shí)間。此電路的設計如以下所述：

　　1)電源切換電路設計

　　由RX-8025T芯片的數據手冊上可知，其工作電壓范圍是1.7V到5.5V;系統電源為3.3V、工業(yè)級電池ER14505電壓為3.6V;可以通過(guò)二極管的正向導通特性來(lái)自動(dòng)切換系統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)先使用系統電源，那么就需要系統電源經(jīng)過(guò)二極管后的電壓比電池經(jīng)過(guò)二極管后的電壓要高，這樣才能保證由系統電源優(yōu)先工作?？梢酝ㄟ^(guò)選擇兩只不同管壓降的二極管來(lái)實(shí)現，二極管SS14的正向導通電壓為0.2V左右，1N4148的正向導通電壓為0.7V左右。那么可以在系統電源線(xiàn)路上串接一只SS14二極管，而在電池供電線(xiàn)路上串接一只1N4148二極管;這樣當外部供電時(shí)，系統電源經(jīng)過(guò)SS14后得到的電壓值大于電池經(jīng)過(guò)1N4148后的電壓值，此時(shí)由主電源供電;當外部電源停止供電后，電路自動(dòng)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15年左右。

　　但是在實(shí)際應用中，發(fā)現在系統電源長(cháng)期供電后，突然切換到電池供電時(shí)發(fā)生電壓不足，導致RTC時(shí)鐘出現異常，其根本原因是電池發(fā)生了鈍化現象。

　　當RTC芯片由系統電源供電時(shí)，鋰電池相當于閑置開(kāi)路，如果電池閑置的時(shí)間過(guò)長(cháng)，那么電池的內部會(huì )產(chǎn)生鈍化膜，而切換到鋰電池供電時(shí)，如果滯后的電壓低于時(shí)鐘芯片的工作電壓，那么時(shí)鐘芯片就會(huì )完全“失壓”，系統時(shí)鐘就會(huì )恢復到初始時(shí)間，導致時(shí)鐘工作異常。為了消除這種現象的影響，我們可以通過(guò)在時(shí)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(cháng)時(shí)間處于閑置開(kāi)路狀態(tài)而形成的，那么我們可以使電池一直維持在一個(gè)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(guò)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(shí)不會(huì )使鈍化膜過(guò)厚而出現電壓滯后導致RX-8025T完全掉電現象，從而影響RTC時(shí)鐘的正常工作。

　　當系統電源供電時(shí)，Q1導通，由電池BT1、R1、Q1形成回路，實(shí)現電池的放電狀態(tài);當系統電源停止供電時(shí)，Q1截至，電池經(jīng)過(guò)D2給RTC芯片U1供電。經(jīng)實(shí)測時(shí)鐘芯片及電池內阻自放電的電流為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設計

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

　　四、總結

　　致遠電子嵌入式產(chǎn)品經(jīng)過(guò)近二十年的設計經(jīng)驗積累，從產(chǎn)品的RTC時(shí)鐘，電源管理，ESD防護電路，各類(lèi)通訊接口等方面全面保證產(chǎn)品的穩定性。致遠電子從2001年從8位單片機方案設計開(kāi)始，逐步掌握ARM7、ARM9、Cortex-A7、A8、A9、M7以及最前沿的A53等ARM體系的處理器應用技術(shù)，擁有全系列的工業(yè)級ARM核心板與工控機。同時(shí)，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(kāi)發(fā)平臺-Aworks實(shí)時(shí)操作系統，幫助用戶(hù)基于穩定的軟硬件平臺快速實(shí)現產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，基于ZLG工業(yè)級核心板/工控板開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品已廣泛應用于電力、軌道交通、工業(yè)現場(chǎng)、醫療等對產(chǎn)品可靠性要求較為苛刻的場(chǎng)合，并不斷深入為各行業(yè)提供整套行業(yè)應用解決方案。