RTC電路分析

一、 摘要

現(xiàn)在幾乎所有的電子產(chǎn)品都帶RTC功能，因此RTC電池的壽命肯定是越長(zhǎng)越好。

二、 問(wèn)題描述

本案例是一個(gè)帶RTC功能的工業(yè)產(chǎn)品，RTC部分的供電電路如下圖，產(chǎn)品發(fā)往市場(chǎng)半年以后，就提示更換RTC電池，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壽命5年。

圖1 有問(wèn)題的RTC電池供電電路

三、 原因分析

產(chǎn)品返回公司以后，我們更換上新的RTC電池，串聯(lián)高精度萬(wàn)用表進(jìn)去測(cè)量電流，發(fā)現(xiàn)RTC的工作電流高達(dá)100uA, 和我們?cè)O(shè)計(jì)的5uA有很大的差距。我們懷疑的點(diǎn)有：

1、二極管D3漏電流太大，設(shè)備斷電時(shí)，通過(guò)D3倒流到系統(tǒng)的電源上；

2、RTC芯片影響，原來(lái)的RTC芯片為NXP-PCF8563P，手冊(cè)描述備用電源時(shí)功耗為0.25uA；中途有更換國(guó)產(chǎn)RTC；

3、RTC電源線路上有漏電路，例如電容的漏電流；

4、電阻R71影響；

我們通過(guò)排除法，先排除D3，因?yàn)槿コ鼶3，電流只減小1uA左右；接著排除RTC電源上電容等漏電流，（關(guān)注公眾號(hào) 硬件筆記本）因?yàn)槿コ娙蓦娏饕廊挥?00uA左右。

將RTC芯片更換為NXP-PCF8563P。電流正常，大約只有4uA。接著我們換回國(guó)產(chǎn)RTC，同時(shí)將電阻更換為100R，則電流也正常，只有4uA左右。

于是我們引出兩個(gè)疑問(wèn):

（1）RTC電源上的串聯(lián)電阻多少合適？

（2）為何串聯(lián)10K的限流電阻會(huì)導(dǎo)致RTC芯片不僅沒(méi)有變小，反而電流增大？

1. RTC電源串聯(lián)電阻阻值多少合適？

RTC電源上串聯(lián)的電阻阻值在網(wǎng)絡(luò)上的爭(zhēng)論一直在，有人說(shuō)0R，有人說(shuō)1K、10K等各種阻值，但是能夠理論講清楚的基本沒(méi)有。

首先我們 要明白這個(gè)電阻的目的：限流。參考各個(gè)廠商的一次性紐扣電池，以陽(yáng)光動(dòng)力的CR2025為例，其他品牌類似，廠家要求電池在任何情況下都不允許短路，否則有可能炸裂或者爆炸。因此，一旦發(fā)生后級(jí)短路時(shí)，限流電阻必須將電流限定在最大持續(xù)放電電流以內(nèi)，運(yùn)行產(chǎn)品工作不正常，但是不允許產(chǎn)品起火甚至爆炸。

因此該型號(hào)的限流電阻最小值為 R=V/I=3V/3mA=1KΩ；對(duì)于電池來(lái)說(shuō)，電阻可以比該阻值大，但是不能比該阻值小。

圖2 電池廠家的電池規(guī)格要求

2. 串聯(lián)10K電阻為何電流變大 ？

回答問(wèn)題前，我們先了解一下RTC芯片的特性：

（1）RTC芯片有兩種工作模式，一種是正常工作模式，一種是備用電源工作模式，如下圖，兩者的供電電流可以相差200倍；

（2）每一種模式下，RTC芯片都可以理解為一個(gè)恒流源，比如電池模式需要1uA左右，正常模式需要200uA左右；

（3）RTC的芯片的電壓范圍非常廣，可以在1.5V~5.5V之間都可以正常工作。

RTC芯片可以理解為一個(gè)電流源，串聯(lián)一個(gè)10K的電阻，當(dāng)流過(guò)電流為100uA時(shí)，在電阻上的壓降將會(huì)達(dá)到1V，如果此時(shí)電池電壓只有2.6V，則RTC芯片的工作電壓只有1.6V，如果電池電壓更小，RTC芯片獲得的電壓更低，由于RTC芯片工作電壓范圍很廣，（關(guān)注公眾號(hào) 硬件筆記本）但是需要的電流是基本不變的，為了獲得足夠的電流，RTC芯片可以理解為進(jìn)一步降低阻抗，導(dǎo)致電流進(jìn)一步加大。國(guó)產(chǎn)芯片可能在正常工作模式和備用電源模式之間的切換的邏輯不夠清晰，導(dǎo)致使用電池的時(shí)候也進(jìn)入正常工作模式。（此為猜測(cè)，沒(méi)有從廠商的資料中找到根據(jù)）。

圖3 RTC芯片的直流工作參數(shù)

四、 解決方案

經(jīng)過(guò)上述分析可知，為了延長(zhǎng)電池的壽命，主要降低RTC回路上的電流?；芈飞系膿p耗主要由：電阻、二極管、RTC芯片、電容。

1、RTC電池模式電流

目前大部分的廠家的RTC芯片在電池模式下可以做到幾百nA到1uA左右，因此RTC電流可以按照1uA進(jìn)行估算。

2、二極管的漏電流

二極管的主要損耗在于漏電流，因此需要選擇漏電流盡可能小的二極管，下圖是BAS70系列二極管的漏電流的曲線圖，為例保守起見，也可以按照1uA進(jìn)行估算。

圖4 BAS70系列二極管漏電流 /溫度/電壓曲線

3、電容損耗

電容的損耗主要也是體現(xiàn)在漏電流，RTC電池對(duì)電源要求不高，因此使用100nF的電容濾波即可，漏電流可以評(píng)估約0.5uA。

圖5 常見陶瓷電容漏電流

4、電阻損耗

經(jīng)過(guò)上述分析，總的電流=二極管漏電流+RTC芯片電流+電容漏電流=1uA+1uA+0.5uA=2.5uA。電阻一般可以選擇1K。RTC芯片和電阻為串聯(lián)關(guān)系。1K電阻1uA的壓降 V=IR=1K*2.5uA=0.0025V，功率為p1=UI=0.0025V*1K=0.00625uW；RTC芯片的功率P2=UI=（3V-0.2V-0.0025V）*1uA=2.7975uW，電阻的損耗占比=P1/P2=0.089%，因此電阻的損耗基本可以忽略不計(jì)。

5、電池的壽命估算。

以陽(yáng)光動(dòng)力電池CR2025為例，電池自放電損失約每年1%，標(biāo)稱容量為150mAH，上述案例的壽命評(píng)估

T=150mAh*95%/（二極管漏電流1uA+RTC電流1uA+電容漏電流0.5uA）=57000H≈6.5年。

6、最終的解決方案

以陽(yáng)光動(dòng)力電池CR2025為例，二極管更換為更低漏電流1uA左右的BAS70系列，電阻只串聯(lián)在電池上，只防電池短路，限制電流在3mA。

圖6 改善后的RTC供電電路

五、 總結(jié)

本文回復(fù)了RTC的兩個(gè)問(wèn)題。

1、RTC電池要不要串電阻，電阻阻值多少合適。

2、RTC 壽命的評(píng)估考慮因素