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。

 

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)電路簡約而不簡單，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)。

 

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。

 

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。

 

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

 

 

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；

 

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。