何时在低功耗物联网设备中使用独立 RTC IC 而不是 MCU 嵌入式 RTC

何时在低功耗物联网设备中使用独立 RTC IC 而不是 MCU 嵌入式 RTC 

上世纪九十年代后期，当实时时钟 IC (RTC IC) 出现在半导体市场时，它们的主要目的是保持时间并以较简单的时钟计数器更有用的方式提供数据和时间信息。从那时起，这些产品不断发展，引入了一些新功能，例如警报、看门狗、时间戳记录、嵌入式存储器等。他们还将功耗降低到浅值。然而，在过去的十年中，RTC 功能经常成为 MCU 中的集成功能 (MCU-RTC)，其性能类似于独立的 RTC IC。

那么为什么要使用独立的 RTC IC 呢？适用于哪些应用程序以及在多大程度上？

我们将研究在某些特定应用中使用的独立 RTC，例如物联网，其中功率和准确性是关键因素。对特性和电气参数进行一对一比较可以帮助设计人员从独立的 RTC IC 中获得最大价值。

物联网和其他低功耗应用的关键要求

IoT 应用程序包含多种类型的设备：从功能强大的多核智能手机到小型连接传感器。然而，延长电池寿命是所有这些设备的共同需求。特别是，这一要求在配备小电池或由收集的能量供电的物联网设备中至关重要。图 1 显示了低功耗物联网设备的典型框图。MCU 管理设备的各种功能。它根据应用条件决定打开或关闭外设。各种功能的开/关时间管理是降低功耗的关键方法。如果 MCU 在不需要时进入深度睡眠模式，并且时基足够准确，不会在唤醒信号和外设激活的实际需要之间产生明显的时间偏移，则可以将其最小化。

与 RTC 模式下的 MCU 电流消耗（在几微安的范围内）相比，RTC IC 提供这些精确的中断，电流消耗低于几百纳安 - 显着降低了电流。

计时和备用电源

对于所有物联网设备，保持时间至关重要。在没有主电源的情况下，使用小电池或电容器即可获得事件发生和通信时隙的可靠信息。

当只需要短时间计时（即更换电池或没有电源线）时，使用电容器。在这些情况下，电流消耗不是唯一的相关参数；最小和最大电源电压在计时持续时间中起着至关重要的作用。MCU 可以工作在 RTC 模式下，最低电压为 1.65V，最高可承受 3.6V 电压。专为备用电容器设计的独立 RTC，例如 STMicroelectronics 的 M41T62，可在电源电压低至 1.0V 的情况下保持时间，并可承受高达 4.5V 的电压。这意味着，使用相同的电容值作为备用电源，例如 1mF，锂离子电池（最大电压 4.2V）作为主电源，并假设能够将电容真正充电到其理论最大电压，由独立 RTC 供电的系统的可用能量约为 MCU-RTC 系统的 2.5 倍（5 mJ 对 1.9 mJ）。另一方面，对于相同的计时持续时间，独立的 RTC 需要一个小而便宜的备用电容器。

准确性

时钟精度是实时时钟功能的关键参数之一。时钟精度反映在每天（或每月或每年）损失或增加多少秒。通常，物联网设备与网络通信时，会同步时间信息，将时间误差设置为零。在这种情况下，准确性在很少与网络通信的设备中扮演更重要的角色，而独立的 RTC 为应用程序带来了显着的好处。

独立 RTC 和 MCU-RTC 均可校准，以在 25°C 时实现正负几个 ppm。然而，大多数 MCU 的校准机制是以一种“开环”方式完成的，因为方波输出（通常为 512Hz）是在校准模块之前从 MCU 带出的（见图 2）。只有在误差反映在 MCU-RTC 寄存器中后，才能应用校正量。例如，+2ppm 的误差会在一小时后确定 +7.2 ms 的误差（参见表 2）。由于大多数 MCU-RTC 在寄存器映射中的最小值为几十毫秒，因此仅在大约一个半小时后才能检测到这种不准确性。

当然，这样的时间量在生产环境中是不受欢迎的，因为在校准过程中需要付出巨大的额外成本才能实现正负几个 ppm 的高精度。

许多独立的 RTC，例如 STMicroelectronics 的 M41T83，提供 512Hz 方波输出，实时反映校准变化，因此只需使用频率计数器即可快速执行校准。此外，半导体制造商通常会提供带有嵌入式晶体的独立 RTC，这些晶体出厂时已经校准为即用型校准时钟。

噪声容限

在工业或汽车等高噪声环境中，作为 RTC 基础的 32kHz 振荡器必须足够稳健，不会产生抖动或停止振荡。根据经验，晶体的负载电容越高，振荡器对噪声的鲁棒性就越高。通常使用负载电容为 12.5pF 的晶振，而当噪声灵敏度是关键要求时，则使用 6 或 7 pF 晶体。许多微控制器在“高驱动模式”下支持 12.5pF 晶振，与 6pF 或 7pF 晶振相比，这决定了额外的电流消耗。MCU-RTC 在高驱动模式下的典型电流消耗约为 1uA（见表 1）。独立 RTC 设计用于 12.5pF，电流消耗低至约 300nA。这再次转化为应用程序的电流消耗减少。

成本

在介绍中，我们强调 RTC 功能现在是任何现代 MCU 的基本功能，因此在某种程度上它是 MCU 制造商免费赠送的。相反，独立 RTC 的成本在 BOM 中直接可见。然而，在精度或电流消耗是基本要求的情况下，使用独立的 RTC 实际上可以节省成本：快速校准的生产成本，使用更小的电池节省成本，或者由于更好的噪声鲁棒性而更轻的屏蔽。总之，根据系统要求，独立 RTC IC 的额外成本可能会被系统其他部分的成本节约所覆盖：硬件、软件或生产流程。

实际用例和待机寿命场景

让我们看一些实际示例，其中考虑了我们讨论的所有元素，比较了独立 RTC 和 MCU-RTC 的使用。

场景一：主要能源：锂离子电池

备用电源：超级电容器

在这种情况下，在电池更换或电池完全放电等特定条件下，必须短暂保持时间。另一种类似的情况，数字略有不同，发生在交流供电设备上，其中备用电容器用于在停电的情况下保持时间。微波炉就是一个典型的例子。

独立 RTC 保证的备份时间是 MCU-RTC 的 4 倍。正如我们所看到的，其中一半时间是由于较低的电流消耗，另一半是由于更宽的支持电压供应范围将电容器能量压缩到最大值（表 3）。

场景 2：主要能源：2xAAA 或 2xAA 电池

备用电源：超级电容器

在这种情况下，在 RTC 和 MCU-RTC 之间，由电容器中存储的能量给出的间隙减小了。这是因为主电源可以达到 3V 而不是 4.2V。如下表所示，两种方案的备份时间相差不到 1 小时。仅考虑备份时间间隔，在这种情况下使用独立 RTC 并没有显着优势。但是，在决定使用独立 RTC 时，应权衡其他考虑因素，例如准确性或稳健性。

场景三：主要能源：电源

备份来源：BR Coin cell

这是应该能够长时间保持时间的应用程序的典型场景。像 BR1225 这样的备用电池可以使用独立的 RTC 和 MCU-RTC 进行数年的计时。在下表中，最大计时电压未列出，因为 BR 电池的电压与工作寿命之间的关系非常平坦（通常为 3V），因此最小备用电压对计算没有影响。独立 RTC 增加的计时值仅仅是因为其较低的电流消耗。

       然而，电气特性或成本降低并不是独立 RTC 可以提供的唯一好处类型。由于高温暴露，BR1225 等锂电池无法承受波峰焊 SMT 工艺。在这方面，意法半导体开发了一套完整的系统来简化流程。M41T11MH6F 等产品采用带孔的定制 SO28 封装。SO28 组件与任何其他表面贴装封装一样焊接在 PCB 中。另一个定制的封装包含 BR1225（或 BR1632）电池和晶振，这个名为 SNAPHAT 的组件安装在 M41T11MH6F 顶部，从而为用户提供可以支持波峰回流焊接工艺的完整系统：RTC IC、电池和 晶振。

结论

基于 MCU 的 RTC 可满足主要应用需求，仅提供标准性能。当应用程序需要高性能时，独立的 RTC 是必须的。

高精度、稳健性和低功耗是需要独立 RTC 的关键要求。应该通过考虑系统的所有元素来比较两种解决方案：从 BOM 到测试，再到 PCB 制造。

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