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      如何選擇適合消費電子應用的實時時鐘

      更新時間: 2007-07-09 11:08:13來源: 粵嵌教育瀏覽量:1246

        實時時鐘(Real Time Clock,RTC)是專用時鐘集成電路,適合于一切需要低功耗及準確計時的應用,如手機、電視機和數碼相機等消費電子設備,以及電表、供暖和通風等工業應用,醫療設備、辦公自動化、汽車電子和測試測量領域也越來越多的采用了實時時鐘。

        如何為某一特定應用選擇合適的實時時鐘芯片呢?設計者可以根據系統的性能要求,從接口方式、功耗、精度和功能幾方面入手。對于消費電子應用,實時時鐘芯片要在具有小尺寸、低功耗和低成本等特點的同時,集成系統所需的豐富功能,才能使終產品性價比更高,上市時間更短。

      接口方式

        串行接口的實時時鐘芯片一般尺寸較小、成本較低,但通信速率也較低,因而比較適合數碼相機和手機等便攜設備。這類芯片通常包括1-Wire(1線)接口、2線、3線、4線、I2C或SPI接口。圖1是精工技術有限公司(SII)的2線實時時鐘芯片S-35390A的內部結構框圖。

      圖1 S-35390A芯片的內部結構框圖

        并行接口可實現存儲器的快速訪問并有較大的存儲容量,這類時鐘芯片適合于那些對成本和尺寸要求不是很苛刻的系統。

      功耗要求

        消費電子產品對功耗的要求非常苛刻,尤其是電池供電的便攜設備。為有效延長電池的使用壽命,實時時鐘芯片追求更低的功耗,工作電流的典型值大都低于0.5μA,至0.15μA,計時工作電壓普遍在1.4V以下。

        以S-35390A為例,其工作電壓范圍達到1.3~5.5 V,適用于從主電源電壓開始到備用電源電壓驅動為止的寬幅度的電源電壓。通過0.25μA的計時消耗電流和1.1V計時工作電壓,可大幅度地延長電池的持續時間。

        Intersil公司的ISL1218和ISL1220是兩款微功率實時時鐘芯片,配合Intersil的InterSeal節電器使用,能使時鐘芯片不從電池吸收任何功率,直到次由VDD電源給該器件加電。這樣可以防止發生初始電池電流泄漏,延長了電池壽命。

        此外,SII還提供備用鋰可充電池和石英晶體,實時時鐘芯片與之配合使用能有效延長電池壽命。如圖2所示,若使用3.4mA·h的鋰可充電池供電,電池使用壽命能達到13 000小時。

      圖2 采用3.4mA.h的鋰可充電池供電,電池使用壽命長達13000小時

      芯片尺寸 

        手機、數碼相機和數碼攝像機等便攜式消費電子產品的外型日趨小巧,電路板設計也越來越緊湊,因此這類應用對芯片尺寸的要求非常苛刻。除了SOP、TSSOP等封裝形式,一些芯片采用更小的封裝,以節省電路板空間。例如,S-35390A更采用了SNT-8A超小型封裝,尺寸僅為2.0mm×2.45mm×0.5mm。

      時鐘精度

        為RTC電路提供時鐘基準的一般是低成本的石英晶體。由于石英晶體具有機電敏感性和熱敏感性,其輸出頻率并不穩定,在極端條件下會導致系統時鐘每年走快或走慢長達100分鐘。

        在許多對精度要求苛刻的應用中,諸如重要事件的時標、金融交易,以及基于時間的費率或價格變化,通常需要優于±10分鐘/年(或者±20ppm)的精度。手機、筆記本電腦和音視頻產品等部分消費電子產品也對時鐘精度有較高的要求。為此,很多實時時鐘芯片都內置有時鐘調整功能,可以在很寬的范圍內矯正石英的頻率偏差。SII的S-35390A和S-35190A等芯片能以小分辨率1ppm進行調整。

        將時鐘調整功能和溫度傳感器相組合,可設定適應溫度變化的時鐘調整值,從而針對溫度偏差實現高精度的計時功能。如圖3所示,溫度傳感器檢測溫度的結果輸入CPU的A/D端,CPU根據輸入的溫度數據從E2PROM上讀出相對應的時鐘調整數據,并把該數據寫入實時時鐘。實時時鐘即可利用時鐘調整功能進行溫度的補正。

      圖3 時鐘調整功能與溫度傳感器結合,實現高精度計時

      豐富的集成功能 

        如何在滿足以上各項參數的眾多實時時鐘芯片中進行選擇呢?可以參考系統所需的集成功能,例如閏年自動運算功能、萬年歷功能、內置時鐘調整功能和穩壓電路等。如果RTC芯片集成了豐富的功能,將有效簡化電路設計,降低BOM成本。

        除了以上的功能,S-35390A還內置有用戶自由寄存器。使用備用電池工作的系統時,可將其作為用戶備用存儲器來使用。用戶寄存器的電源電壓可保持到1.2V(小值),因此在主電源切斷前存儲到寄存器的數據,在電壓恢復后便可隨時讀出。

        ISL1218/20具有周期或輪詢報警功能,報警可以設為任何時鐘/日歷值。可以通過檢查狀態寄存器來獲知報警狀態,或者配置器件以便通過IRQ引腳來提供硬件中斷。報警具有重復模式,可以實現每分鐘、每小時、每天的周期中斷。S-35390A和S-35190A也分別具有2個和1個INT引腳,能夠實現報警中斷功能,如圖1所示。
      ISL12027/8/9則具有CPU監視功能,這種設計不必使用分立的上電復位和看門狗定時器器件,從而節省了電路板空間。

        意法半導體的實時時鐘芯片M41T83/93利用一個一次性可編程(OTP)寄存器,在工廠測試期間微調片上32.768 kHz振蕩器的內部負載電容,確保這些產品每月計時精確度在12s內。除工廠編程寄存器外,這兩款產品還具有一個模擬校準寄存器,用戶通過這個寄存器可以覆蓋出廠前校準設置。這個功能有利于調整因為環境溫度引起的誤差或修正板上雜散電容對計時精度的影響。

      軟件

        雖然硬件電路不是很復雜,但不同的實時時鐘芯片在軟件方面各不相同,選擇時應該給予足夠的重視。以同是SII生產的S-35390A和S-35190A為例,它們在電源投入時的初始化流程圖完全相同,如圖4所示,但是二者的時序、通信數據構成和指令構成都有區別。以通信數據構成為例,如圖5所示,S-35390A比S-35190A多了一個確認位。SII的實時時鐘芯片將裝置地址的上位4位定為裝置碼,固定為“0110”,而其他廠商芯片的裝置碼可能是與命令獨立的。如果軟件工程師沒有從一開始就關注這些,在設計過程中就難免要花費時間調試程序了。

      圖4 初始化流程圖

      圖5-1 S-35190A的通信數據構成

      圖5-2 S-35390A的通信數據構成

      在線選型

        在確定所需實時時鐘的接口方式、工作電壓范圍、工作電流和精度等性能參數后,一些在線工具能幫助設計者終完成芯片的選擇。

        例如,使用Maxim網站的參數搜索工具,可以設置上述各參數,并根據系統需求,選取實時時鐘芯片的封裝形式和存儲容量等,搜索出滿足設計要求的芯片。網址如下:http://para.maxim-ic.com/cache/en/search/4702.html

        又如,SII的網站提供實時時鐘芯片與晶體的匹配搜索,能夠查找到與SSP-T7、VT-200和SP-T2A三款晶體匹配的SII的RTC IC及不同生產商的CPU。網址如下:http://speed.sii.co.jp/pub/compo/quartz/report_Detail00E.jsp?product_id=VT-200&group_ID=41

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