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RTC時鐘偶發(fā)性延時或超時怎么辦?

作者:ZLG致遠電子 時間:2018-11-22 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

  在非常溫的工作環(huán)境下,時鐘出現(xiàn)偶發(fā)性的延時或者超時現(xiàn)象,成熟的電路設計看似簡單,但如何保證時鐘的精確度;在出現(xiàn)偶發(fā)性異?,F(xiàn)象時,如何快速定位和解決問題;本文將分享一個案例。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201811/394737.htm

  一、案例情況

  工控板使用了的PCF8563 RTC 芯片方案,在研發(fā)做環(huán)境溫度摸底測試的時候, RTC時鐘出現(xiàn)偶發(fā)性延時或者超前現(xiàn)象,于是研發(fā)展開一系列的問題定位。

  二、排查分析

  1、工控板使用了的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。且隨著時間的增加,晶體電路元件的緩慢變化會造成長期性的頻率漂移。同時,在外部溫度較為極端的時候,時鐘震蕩回路可能出現(xiàn)異常,影響到RTC的正常計時。

  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℃。和其他鋰電池類似,若外部溫度較為極端的時候,會改變其內(nèi)部的化學反應,導致電池壽命的降低或者電壓異常的風險,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

  極限溫度下長時間的高精度保證,有以下的解決方案:

  1、選擇帶有溫度補償?shù)腞TC芯片如EPSON的RX-8025T。這款芯片是內(nèi)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)過溫度補償校準過的,這樣可以提高RTC的穩(wěn)定性和精度。因為內(nèi)嵌的晶體已經(jīng)經(jīng)過高溫老化處理,比獨立的晶體有更好的穩(wěn)定性,精度誤差在-40℃~85℃范圍內(nèi)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(nèi)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(tǒng)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,RTC時鐘工作時使用由外部電源經(jīng)LDO轉(zhuǎn)化而來的VCC_3.3電源,當外部電源停止供電時就自動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,同時可以延長電池的使用時間。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(shù)據(jù)手冊上可知,其工作電壓范圍是1.7V到5.5V;系統(tǒng)電源為3.3V、工業(yè)級電池ER14505電壓為3.6V;可以通過二極管的正向?qū)ㄌ匦詠碜詣忧袚Q系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)電源,那么就需要系統(tǒng)電源經(jīng)過二極管后的電壓比電池經(jīng)過二極管后的電壓要高,這樣才能保證由系統(tǒng)電源優(yōu)先工作??梢酝ㄟ^選擇兩只不同管壓降的二極管來實現(xiàn),二極管SS14的正向?qū)妷簽?.2V左右,1N4148的正向?qū)妷簽?.7V左右。那么可以在系統(tǒng)電源線路上串接一只SS14二極管,而在電池供電線路上串接一只1N4148二極管;這樣當外部供電時,系統(tǒng)電源經(jīng)過SS14后得到的電壓值大于電池經(jīng)過1N4148后的電壓值,此時由主電源供電;當外部電源停止供電后,電路自動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。

  但是在實際應用中,發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)電源長期供電后,突然切換到電池供電時發(fā)生電壓不足,導致RTC時鐘出現(xiàn)異常,其根本原因是電池發(fā)生了鈍化現(xiàn)象。

  當RTC芯片由系統(tǒng)電源供電時,鋰電池相當于閑置開路,如果電池閑置的時間過長,那么電池的內(nèi)部會產(chǎn)生鈍化膜,而切換到鋰電池供電時,如果滯后的電壓低于時鐘芯片的工作電壓,那么時鐘芯片就會完全“失壓”,系統(tǒng)時鐘就會恢復到初始時間,導致時鐘工作異常。為了消除這種現(xiàn)象的影響,我們可以通過在時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時間處于閑置開路狀態(tài)而形成的,那么我們可以使電池一直維持在一個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,同時不會使鈍化膜過厚而出現(xiàn)電壓滯后導致RX-8025T完全掉電現(xiàn)象,從而影響RTC時鐘的正常工作。

  當系統(tǒng)電源供電時,Q1導通,由電池BT1、R1、Q1形成回路,實現(xiàn)電池的放電狀態(tài);當系統(tǒng)電源停止供電時,Q1截至,電池經(jīng)過D2給RTC芯片U1供電。經(jīng)實測時鐘芯片及電池內(nèi)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的時候需要注意RX-8052T與MCU的I2C走線應該越短越好,并且遠離高頻、高電流的信號線。同時旁路電容也應該靠近RX-8025T的電源端,并增加地線敷銅的面積,以防止干擾的產(chǎn)生。

  四、總結(jié)

  致遠電子嵌入式產(chǎn)品經(jīng)過近二十年的設計經(jīng)驗積累,從產(chǎn)品的RTC時鐘,電源管理,ESD防護電路,各類通訊接口等方面全面保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性。致遠電子從2001年從8位單片機方案設計開始,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,基于對嵌入式技術(shù)的理解與積累,我們自主研發(fā)下一代軟件開發(fā)平臺-Aworks實時操作系統(tǒng),幫助用戶基于穩(wěn)定的軟硬件平臺快速實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā),基于ZLG工業(yè)級核心板/工控板開發(fā)的產(chǎn)品已廣泛應用于電力、軌道交通、工業(yè)現(xiàn)場、醫(yī)療等對產(chǎn)品可靠性要求較為苛刻的場合,并不斷深入為各行業(yè)提供整套行業(yè)應用解決方案。




關鍵詞: NXP RTC

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