何時在低功耗物聯(lián)網(wǎng)設備中使用獨立 RTC IC 而不是 MCU 嵌入式 RTC

何時在低功耗物聯(lián)網(wǎng)設備中使用獨立 RTC IC 而不是 MCU 嵌入式 RTC 

上世紀九十年代后期，當實時時鐘 IC (RTC IC) 出現(xiàn)在半導體市場時，它們的主要目的是保持時間并以較簡單的時鐘計數(shù)器更有用的方式提供數(shù)據(jù)和時間信息。從那時起，這些產(chǎn)品不斷發(fā)展，引入了一些新功能，例如警報、看門狗、時間戳記錄、嵌入式存儲器等。他們還將功耗降低到淺值。然而，在過去的十年中，RTC 功能經(jīng)常成為 MCU 中的集成功能 (MCU-RTC)，其性能類似于獨立的 RTC IC。

那么為什么要使用獨立的 RTC IC 呢？適用于哪些應用程序以及在多大程度上？

我們將研究在某些特定應用中使用的獨立 RTC，例如物聯(lián)網(wǎng)，其中功率和準確性是關鍵因素。對特性和電氣參數(shù)進行一對一比較可以幫助設計人員從獨立的 RTC IC 中獲得最大價值。

物聯(lián)網(wǎng)和其他低功耗應用的關鍵要求

IoT 應用程序包含多種類型的設備：從功能強大的多核智能手機到小型連接傳感器。然而，延長電池壽命是所有這些設備的共同需求。特別是，這一要求在配備小電池或由收集的能量供電的物聯(lián)網(wǎng)設備中至關重要。圖 1 顯示了低功耗物聯(lián)網(wǎng)設備的典型框圖。MCU 管理設備的各種功能。它根據(jù)應用條件決定打開或關閉外設。各種功能的開/關時間管理是降低功耗的關鍵方法。如果 MCU 在不需要時進入深度睡眠模式，并且時基足夠準確，不會在喚醒信號和外設激活的實際需要之間產(chǎn)生明顯的時間偏移，則可以將其最小化。

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。

計時和備用電源

對于所有物聯(lián)網(wǎng)設備，保持時間至關重要。在沒有主電源的情況下，使用小電池或電容器即可獲得事件發(fā)生和通信時隙的可靠信息。

當只需要短時間計時（即更換電池或沒有電源線）時，使用電容器。在這些情況下，電流消耗不是唯一的相關參數(shù)；最小和最大電源電壓在計時持續(xù)時間中起著至關重要的作用。MCU 可以工作在 RTC 模式下，最低電壓為 1.65V，最高可承受 3.6V 電壓。專為備用電容器設計的獨立 RTC，例如 STMicroelectronics 的 M41T62，可在電源電壓低至 1.0V 的情況下保持時間，并可承受高達 4.5V 的電壓。這意味著，使用相同的電容值作為備用電源，例如 1mF，鋰離子電池（最大電壓 4.2V）作為主電源，并假設能夠將電容真正充電到其理論最大電壓，由獨立 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，對于相同的計時持續(xù)時間，獨立的 RTC 需要一個小而便宜的備用電容器。

準確性

時鐘精度是實時時鐘功能的關鍵參數(shù)之一。時鐘精度反映在每天（或每月或每年）損失或增加多少秒。通常，物聯(lián)網(wǎng)設備與網(wǎng)絡通信時，會同步時間信息，將時間誤差設置為零。在這種情況下，準確性在很少與網(wǎng)絡通信的設備中扮演更重要的角色，而獨立的 RTC 為應用程序帶來了顯著的好處。

獨立 RTC 和 MCU-RTC 均可校準，以在 25°C 時實現(xiàn)正負幾個 ppm。然而，大多數(shù) MCU 的校準機制是以一種“開環(huán)”方式完成的，因為方波輸出（通常為 512Hz）是在校準模塊之前從 MCU 帶出的（見圖 2）。只有在誤差反映在 MCU-RTC 寄存器中后，才能應用校正量。例如，+2ppm 的誤差會在一小時后確定 +7.2 ms 的誤差（參見表 2）。由于大多數(shù) MCU-RTC 在寄存器映射中的最小值為幾十毫秒，因此僅在大約一個半小時后才能檢測到這種不準確性。

當然，這樣的時間量在生產(chǎn)環(huán)境中是不受歡迎的，因為在校準過程中需要付出巨大的額外成本才能實現(xiàn)正負幾個 ppm 的高精度。

許多獨立的 RTC，例如 STMicroelectronics 的 M41T83，提供 512Hz 方波輸出，實時反映校準變化，因此只需使用頻率計數(shù)器即可快速執(zhí)行校準。此外，半導體制造商通常會提供帶有嵌入式晶體的獨立 RTC，這些晶體出廠時已經(jīng)校準為即用型校準時鐘。

噪聲容限

在工業(yè)或汽車等高噪聲環(huán)境中，作為 RTC 基礎的 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，晶體的負載電容越高，振蕩器對噪聲的魯棒性就越高。通常使用負載電容為 12.5pF 的晶振，而當噪聲靈敏度是關鍵要求時，則使用 6 或 7 pF 晶體。許多微控制器在“高驅動模式”下支持 12.5pF 晶振，與 6pF 或 7pF 晶振相比，這決定了額外的電流消耗。MCU-RTC 在高驅動模式下的典型電流消耗約為 1uA（見表 1）。獨立 RTC 設計用于 12.5pF，電流消耗低至約 300nA。這再次轉化為應用程序的電流消耗減少。

成本

在介紹中，我們強調 RTC 功能現(xiàn)在是任何現(xiàn)代 MCU 的基本功能，因此在某種程度上它是 MCU 制造商免費贈送的。相反，獨立 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，使用獨立的 RTC 實際上可以節(jié)省成本：快速校準的生產(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。

實際用例和待機壽命場景

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

場景一：主要能源：鋰離子電池

備用電源：超級電容器

在這種情況下，在電池更換或電池完全放電等特定條件下，必須短暫保持時間。另一種類似的情況，數(shù)字略有不同，發(fā)生在交流供電設備上，其中備用電容器用于在停電的情況下保持時間。微波爐就是一個典型的例子。

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

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，在 RTC 和 MCU-RTC 之間，由電容器中存儲的能量給出的間隙減小了。這是因為主電源可以達到 3V 而不是 4.2V。如下表所示，兩種方案的備份時間相差不到 1 小時。僅考慮備份時間間隔，在這種情況下使用獨立 RTC 并沒有顯著優(yōu)勢。但是，在決定使用獨立 RTC 時，應權衡其他考慮因素，例如準確性或穩(wěn)健性。

場景三：主要能源：電源

備份來源：BR Coin cell

這是應該能夠長時間保持時間的應用程序的典型場景。像 BR1225 這樣的備用電池可以使用獨立的 RTC 和 MCU-RTC 進行數(shù)年的計時。在下表中，最大計時電壓未列出，因為 BR 電池的電壓與工作壽命之間的關系非常平坦（通常為 3V），因此最小備用電壓對計算沒有影響。獨立 RTC 增加的計時值僅僅是因為其較低的電流消耗。

       然而，電氣特性或成本降低并不是獨立 RTC 可以提供的唯一好處類型。由于高溫暴露，BR1225 等鋰電池無法承受波峰焊 SMT 工藝。在這方面，意法半導體開發(fā)了一套完整的系統(tǒng)來簡化流程。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。另一個定制的封裝包含 BR1225（或 BR1632）電池和晶振，這個名為 SNAPHAT 的組件安裝在 M41T11MH6F 頂部，從而為用戶提供可以支持波峰回流焊接工藝的完整系統(tǒng)：RTC IC、電池和 晶振。

結論

基于 MCU 的 RTC 可滿足主要應用需求，僅提供標準性能。當應用程序需要高性能時，獨立的 RTC 是必須的。

高精度、穩(wěn)健性和低功耗是需要獨立 RTC 的關鍵要求。應該通過考慮系統(tǒng)的所有元素來比較兩種解決方案：從 BOM 到測試，再到 PCB 制造。

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