如何选择适合消费电子应用的实时时钟

2007-07-31 10:21:28来源: 今日电子

实时时钟(Real Time Clock,RTC)是专用时钟集成电路,适合于一切需要低功耗及准确计时的应用,如手机、电视机和数码相机等消费电子设备,以及电表、供暖和通风等工业应用,医疗设备、办公自动化、汽车电子测试测量领域也越来越多的采用了实时时钟。

如何为某一特定应用选择合适的实时时钟芯片呢?设计者可以根据系统的性能要求,从接口方式、功耗、精度和功能几方面入手。对于消费电子应用,实时时钟芯片要在具有小尺寸、低功耗和低成本等特点的同时,集成系统所需的丰富功能,才能使最终产品性价比更高,上市时间更短。

接口方式

串行接口的实时时钟芯片一般尺寸较小、成本较低,但通信速率也较低,因而比较适合数码相机和手机等便携设备。这类芯片通常包括1-Wire(1线)接口、2线、3线、4线、I2C或SPI接口。图1是精工技术有限公司(SII)的2线实时时钟芯片S-35390A的内部结构框图

图1 S-35390A芯片的内部结构框图

并行接口可实现存储器的快速访问并有较大的存储容量,这类时钟芯片适合于那些对成本和尺寸要求不是很苛刻的系统。

功耗要求

消费电子产品对功耗的要求非常苛刻,尤其是电池供电的便携设备。为有效延长电池的使用寿命,实时时钟芯片追求更低的功耗,工作电流的典型值大都低于0.5μA,最低至0.15μA,最低计时工作电压普遍在1.4V以下。

以S-35390A为例,其工作电压范围达到1.3~5.5 V,适用于从主电源电压开始到备用电源电压驱动为止的宽幅度的电源电压。通过0.25μA的计时消耗电流和1.1V最低计时工作电压,可大幅度地延长电池的持续时间。

Intersil公司的ISL1218和ISL1220是两款微功率实时时钟芯片,配合Intersil的InterSeal节电器使用,能使时钟芯片不从电池吸收任何功率,直到第一次由VDD电源给该器件加电。这样可以防止发生初始电池电流泄漏,延长了电池寿命。

此外,SII还提供备用锂可充电池和石英晶体,实时时钟芯片与之配合使用能有效延长电池寿命。如图2所示,若使用3.4mA·h的锂可充电池供电,电池使用寿命能达到13 000小时。

图2 采用3.4mA.h的锂可充电池供电,电池使用寿命长达13000小时

芯片尺寸

手机、数码相机和数码摄像机等便携式消费电子产品的外型日趋小巧,电路板设计也越来越紧凑,因此这类应用对芯片尺寸的要求非常苛刻。除了SOP、TSSOP等封装形式,一些芯片采用更小的封装,以节省电路板空间。例如,S-35390A更采用了SNT-8A超小型封装,尺寸仅为2.0mm×2.45mm×0.5mm。

时钟精度

为RTC电路提供时钟基准的一般是低成本的石英晶体。由于石英晶体具有机电敏感性和热敏感性,其输出频率并不稳定,在极端条件下会导致系统时钟每年走快或走慢长达100分钟。

在许多对精度要求苛刻的应用中,诸如重要事件的时标、金融交易,以及基于时间的费率或价格变化,通常需要优于±10分钟/年(或者±20ppm)的精度。手机、笔记本电脑和音视频产品等部分消费电子产品也对时钟精度有较高的要求。为此,很多实时时钟芯片都内置有时钟调整功能,可以在很宽的范围内矫正石英的频率偏差。SII的S-35390A和S-35190A等芯片能以最小分辨率1ppm进行调整。

将时钟调整功能和温度传感器相组合,可设定适应温度变化的时钟调整值,从而针对温度偏差实现高精度的计时功能。如图3所示,温度传感器检测温度的结果输入CPU的A/D端,CPU根据输入的温度数据从E2PROM上读出相对应的时钟调整数据,并把该数据写入实时时钟。实时时钟即可利用时钟调整功能进行温度的补正。

图3 时钟调整功能与温度传感器结合,实现高精度计时

丰富的集成功能

如何在满足以上各项参数的众多实时时钟芯片中进行选择呢?可以参考系统所需的集成功能,例如闰年自动运算功能、万年历功能、内置时钟调整功能和稳压电路等。如果RTC芯片集成了丰富的功能,将有效简化电路设计,降低BOM成本。

除了以上的功能,S-35390A还内置有用户自由寄存器。使用备用电池工作的系统时,可将其作为用户备用存储器来使用。用户寄存器的电源电压可保持到1.2V(最小值),因此在主电源切断前存储到寄存器的数据,在电压恢复后便可随时读出。

ISL1218/20具有周期或轮询报警功能,报警可以设为任何时钟/日历值。可以通过检查状态寄存器来获知报警状态,或者配置器件以便通过IRQ引脚来提供硬件中断。报警具有重复模式,可以实现每分钟、每小时、每天的周期中断。S-35390A和S-35190A也分别具有2个和1个INT引脚,能够实现报警中断功能,如图1所示。
ISL12027/8/9则具有CPU监视功能,这种设计不必使用分立的上电复位和看门狗定时器器件,从而节省了电路板空间。

意法半导体的实时时钟芯片M41T83/93利用一个一次性可编程(OTP)寄存器,在工厂测试期间微调片上32.768 kHz振荡器的内部负载电容,确保这些产品每月计时精确度在12s内。除工厂编程寄存器外,这两款产品还具有一个模拟校准寄存器,用户通过这个寄存器可以覆盖出厂前校准设置。这个功能有利于调整因为环境温度引起的误差或修正板上杂散电容对计时精度的影响。

软件

虽然硬件电路不是很复杂,但不同的实时时钟芯片在软件方面各不相同,选择时应该给予足够的重视。以同是SII生产的S-35390A和S-35190A为例,它们在电源投入时的初始化流程图完全相同,如图4所示,但是二者的时序、通信数据构成和指令构成都有区别。以通信数据构成为例,如图5所示,S-35390A比S-35190A多了一个确认位。SII的实时时钟芯片将装置地址的上位4位定为装置码,固定为“0110”,而其他厂商芯片的装置码可能是与命令独立的。如果软件工程师没有从一开始就关注这些,在设计过程中就难免要花费时间调试程序了。

图4 初始化流程图

图5-1 S-35190A的通信数据构成

图5-2 S-35390A的通信数据构成

关键字:计时  速率  接口  电流

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