rtc батарейка что это

Батареи RTC/NVRAM на материнской плате

Во всех современных персональных компьютерах присутствует специальная микросхема, которая содержит часы реального времени и энергонезависимую память (NVRAM, не менее 64 байт). Данную микросхему принято называть RTC/NVRAM, но чаще всего она упоминается как микросхема CMOS или CMOS-память. Таки чипы имеют независимое питание и способны сохранять записанные данные на протяжении нескольких лет.

Первая микросхема, которая устанавливалась в оригинальные IBM AT, была изготовлена специалистами Motorola и обозначалась как MC146818. В данный момент микросхемы такого типа выпускает большое количество производителей, но, несмотря на то, что они обладают различными характеристиками, все они совместимы с вышеупомянутой микросхемой. В большей части современных материнских плат чип RTC/NVRAM встраивается в архитектуру южного моста либо в контроллер ввода-вывода.

Микросхема содержит RTC (часы реального времени), которые предоставляют текущее время и дату, причем время и дата не собьются даже при выключении ПК. Часть чипа, называемая NVRAM, несет другой функционал. Он предназначен для хранения информации о параметрах компьютера, включая информацию о накопителях, установленной памяти и т.д.
Используются несколько видов батарей NVRAM (CMOS RAM). Чаще всего устанавливаются литиевые, поскольку срок службы у них довольно продолжителен (до пяти лет). При этом, обычно используются элементы типа CR2032.

При уменьшении заряда батареи снижается и выходное напряжение, что может оказать влияние на точность встроенных часов. Большинство стандартных литиевых батареек обладают выходным напряжением 3 В, но уровень напряжения еще не используемой батареи несколько выше 3 В. Если встроенные часы начали показывать некорректное время, в первую очередь следует проверить напряжение, которое подается на энергонезависимую память. Наибольшую точность часы показывают при напряжении 3 вольта или немного выше. Данный уровень напряжения батарейка сохраняет практически до полного истощения заряда.

Таким образом, обычная батарейка на материнской плате позволяет компьютеру не только не забывать основные системные настройки, но и всегда корректно отображать время. Даже если компьютер постоянно отключен от сети, батарейка в течение нескольких лет будет питать автономные часы и микросхему памяти.

Источник

Суперконденсаторы VINATech для резервного питания RTC

Александр Шрага (г. Москва)

Южнокорейская компания VINATech, являющаяся одним из лидеров в области разработки и производства суперконденсаторов, представляет серии WEC и VEL для RTC, по всем параметрам превосходящие традиционные литиевые батарейки.

Современное развитие электроники, направленное на повышение роли искусственного интеллекта, использование беспроводных и часто автономных систем сбора и передачи данных, расширение функциональных возможностей радиотехнических устройств и многие другие факторы, привело к необходимости использования часов реального времени (Real Time Clock, RTC) в составе многочисленных устройств. Сегодня RTC являются неотъемлемой частью многих электронных приборов, например, счетчиков электроэнергии, устройств промышленной автоматизации и управления, автоматизации зданий, интернета вещей (IoT) и прочего. Расширение спектра портативных электронных устройств, тренд на миниатюризацию, экологические требования к современной технике привели к необходимости повышения эффективности источников питания и обеспечения их бесперебойной работы.

Для резервного питания RTC традиционно использовались литиевые батарейки 3 В (рисунок 1) или суперкондесаторы плоского круглого типа (Coin Cell Supercapacitor) на 5,5 В (рисунок 2). Решения с суперконденсаторами, в сравнении с литиевыми батарейками, имеют ряд преимуществ, касающихся безопасности окружающей среды, увеличения диапазона рабочих температур и срока службы, что делает их применение предпочтительным для высоконадежных приложений. Однако чтобы преодолеть ограниченную способность аккумулирования энергии по сравнению с литиевыми батареями, рабочее напряжение суперконденсаторов пришлось увеличить с 3 до 5 В. Это изменение привело к тому, что сегодня почти все микросхемы RTC могут работать в диапазоне рабочих напряжений 5…1 В или ниже.

Отметим, что область применения суперконденсаторов не ограничивается приложениями с RTC. Эта продукция находит широкое применения в устройствах, где необходимы источники питания, способные обеспечить высокие пиковые токи нагрузки, например, GPRS, ISM и прочих.

Рис. 1. Пример литиевой батарейки 3 В CR2032 производства компании Panasonic

Рис. 2. Пример суперкондесатора плоского круглого типа (Coin Cell Supercapacitor)

Устоявшаяся терминология и профессиональный сленг, которые сегодня широко используются по отношению к форм-факторам резервных источников питания RTC, могут немного запутать читателя. Давайте систематизируем данные понятия:

Для реализации резервного питания RTC до сих пор используются как литиевые батарейки (Lithium Button Cell Batteries), так и суперконденсаторы. Но технологии не стоят на месте: в настоящее время доступны суперконденсаторы цилиндрического типа с номинальным напряжением 3 В и низким уровнем тока утечки, что делает их отличной и более привлекательной по цене альтернативой традиционному варианту с литиевой батарейкой.

Для организации резервного питания RTC сегодня применяются суперконденсаторы плоского круглого типа (Coin Cell Supercapacitors), широкой популярностью пользуются суперконденсаторы цилиндрического типа (Cylindrical Supercapacitors) и гибридные литиевые конденсаторы (Hybrid Lithium Capacitors).

Надо отметить, что большинство производителей выпускает суперконденсаторы с номинальным напряжением 2,7 В и лишь немногие — с напряжением 2,85 В.

Компания VINATech (Южная Корея), основанная в 1999 году, является одним из лидеров в области разработки и производства суперконденсаторов. В 2010 году она была практически единственной, разработавшей суперконденсатор 3 В.

Дело в том, что при работе ионистора при напряжении ниже номинального резко, в разы, возрастает срок его службы. Поэтому даже незначительное увеличение номинального напряжения суперконденсатора приводит к существенному повышению надежности системы в целом.

Кроме того, суперконденсаторы компании VINATech имеют следующие преимущества:

Суперконденсаторы WEC и VEL от VINATech

В качестве альтернативы суперконденсаторам плоского круглого типа для приложений RTC отлично подходят серия цилиндрических электрохимических конденсаторов WEC (рисунок 3) с двойным электрическим слоем (EDLC) и серия гибридных литиевых конденсаторов VEL производства компании VINATech.

Рис. 3. Цилиндрические суперконденсаторы EDLC серии WEC с радиальными выводами

Вариант EDLC (цилиндрические суперконденсаторы серии WEC) предлагает немного более высокую плотность энергии (таблица 1), чем альтернатива – суперконденсаторы плоского круглого типа с номинальным напряжением 3 В @ 65°C (при снижении напряжения до 2,8 В – @ 70°C). Он не только обеспечивает надежную и долговременную работу при повышенных температурах окружающей среды, но и обладает великолепными эксплуатационными качествами при высоком уровне влажности. Помимо длительного срока службы, решение EDLC также отличается самой низкой стоимостью.

Сравнивая решение EDLC с гибридным литиевым конденсатором, можно отметить, что гибридный конденсатор с номиналом 3,8 В @ 70°C (85°C при снижении напряжения до 3,5 В) имеет более чем в 10 раз большую плотность энергии. Он также имеет длительный срок службы, небольшие размеры, сверхмалый ток утечки, что также приводит к очень длительному времени работы. Основными недостатками гибридной конденсаторной технологии являются более высокая общая стоимость и величина нижнего уровня рабочего напряжения 2,5 В, что может усложнить схему, если требуется отключение нагрузки для обеспечения постоянного поддержания минимального напряжения.

Цилиндрические суперконденсаторы серий WEC и VEL занимают меньше места на печатной плате, чем аналогичные ионисторы плоского круглого типа. Они также доступны в технологической упаковке для автоматической установки на плату и могут поставляться с предварительно отформованными для горизонтального монтажа выводами.

Таблица 1. Сравнение различных технологий

Расчет времени поддержания питания от суперконденсатора

Для расчета времени поддержания питания от суперконденсатора используется формула 1:

Например, для суперконденсатора WEC3R0105QG производства VINTech пусть V1 равно 2,8 В, V2 равно 1 В. При условии, что ток нагрузки и саморазряд равны 1 мА каждый, возможное время резервного питания, согласно формуле 2, составит:

Ниже, в таблице 2 приведено время резервного питания, которое могут обеспечить суперконденсаторы плоского круглого типа c параметрами 0,22 Ф, 1 Ф @ 70°C и 1 Ф @ 85°C.

Помимо времени удержания питания, в таблице 2 также приводятся данные, позволяющие сравнить относительную стоимость, размер и вес каждого продукта. Кроме того, все результаты можно сравнить с результатами из таблицы 3, в которой представлена та же информация для суперконденсаторов EDLC серии WEC 1 Ф и 3,3 Ф и гибридного литиевого конденсатора 10 Ф с номинальным напряжением 3,8 В.

Сравнение данных из таблиц 2 и 3 показывает, что изделие WEC3R0105QG (1 Ф, 3 В) предлагает примерно на 20% большее время удержания напряжения резервного питания, чем суперконденсатор плоского круглого типа емкостью 0,22 Ф, при этом стоимость WEC3R0105GQ на 30% ниже стоимости суперконденсатора плоского круглого типа емкостью 0,22 Ф. Кроме того, при работе на напряжении 2,8 В достигается такая же верхняя номинальная температура 70°C.

Если сравнить изделие WEC3R0335QG (3,3 Ф, 3 В) с суперконденсатором плоского круглого типа 1 Ф @ 70°C, то можно заметить следующее: расчетное время удержания напряжения для цилиндрического суперконденсатора составляет лишь 55% от времени, предлагаемого суперконденсатором плоского круглого типа, но при этом стоимость WEC3R0335QG составляет примерно 60% от цены плоского круглого ионистора. Таким образом, имеет смысл использовать цилиндрический суперконденсатор с большей емкостью, чтобы достичь соответствия характеристик плоского круглого суперконденсатора с емкостью 1 Ф. Но поскольку ток утечки пропорционален емкости (как правило, примерно 1 мкА/Ф), эффект от такого решения будет снижен.

Таблица 2. Спецификация и эксплуатационные характеристики суперконденсаторов плоского круглого типа

3

Хотя серия WEC производства компании VINATech может использоваться при 85°C и относительной влажности 85% в течение сотен часов при 3 В и надежно работает в течение более длительных периодов времени при снижении напряжения до 2,4…2,5 В, все же лучший вариант для изделия с номинальной температурой 85°C, которое обеспечивает долговременное удержание напряжения — это гибридные литиевые конденсаторы серии VEL. Использование гибридного литиевого конденсатора 10 Ф, 3,8 В при напряжении заряда 3,5 В позволяет работать при температуре 85°C, и, как видно из таблицы 3, это обеспечивает время удержания напряжения 77 дней для тока нагрузки 1 мкА, что почти в 3 раза больше, чем у решения с плоским круглым суперконденсатором 1 Ф @ 85°C при уровне стоимости гибридного конденсатора

85% от цены плоского круглого суперконденсатора 1 Ф.

Выбираем оптимальный суперконденсатор

Суперконденсаторы EDLC цилиндрического типа и гибридные литиевые конденсаторы – прекрасная альтернатива суперконденсаторам плоского круглого типа в приложениях с RTC, так как они обеспечивают улучшенные характеристики при высоких температурах и влажности, более длительный срок службы и имеют более низкую стоимость.

Ограничения доступного времени удержания напряжения, обеспечиваемые решениями EDLC, связаны с их относительно высокими токами утечки, что является областью, над улучшением которой активно работает компания VINATech. Первоначальные результаты этой работы показывают, что вскоре могут появиться продукты с уровнем тока утечки всего около 0,5 мкА/Ф, что обеспечит время удержания напряжения более 30 дней. В дополнение к гибридным литиевым конденсаторам меньшего размера будут предлагаться более конкурентоспособные по цене решения для приложений, требующих поддержки RTC в течение времени, значительно большего чем 30 дней, а также поддержки работы при температуре 85°C, что сделает их отличной альтернативой как литиевым батарейкам, так и суперконденсаторам плоского круглого типа.

Отдельно хочется упомянуть о проблемах со сроками и самим осуществлением поставок суперконденсаторов плоского круглого типа, так как эта номенклатура многими производителями снята с производства.

Многое зависит от характера задачи, которая стоит перед разработчиком электронного устройства, но, учитывая изложенные выше характеристики и особенности суперконденсаторов, серия WEC (таблица 4) хорошо подойдет для многих приложений.

Продукция соответствует требованиям международных стандартов UL, IATF 16949: 2016 и ISO-14001.

Таблица 4. Параметры выводных суперконденсаторов 3 В серии WEC

Источник

Часы реального времени или RTC: как работает это оборудование

Любой поклонник электроники или компьютеров знает, что компьютеры, которые мы используем каждый день, оснащены часы реального времени и что благодаря аккумулятору, встроенному в материнскую плату, часы всегда идут вовремя, даже когда компьютер отключен от сети. ручей. Но вы когда-нибудь задумывались Как это работает и особенно, каково использование ПК с этими внутренними часами?

У внутренних часов реального времени ПК есть утилита, которая выходит далеко за рамки показа времени на панели задач, и это означает, что, как мы буквально объясним ниже, ПК не мог бы работать без них. Почему? Мы сразу же подробно объясним вам это, но в качестве предварительного просмотра мы скажем вам, что без этих часов процессор ПК не знал бы, когда он должен выполнять вычисления.

Что такое часы реального времени или RTC и для чего они нужны?

RTC можно найти как в компьютерах (настольных и портативных), так и в интегрированных системах, серверах и любых электронных компонентах, имеющих процессор, поскольку для этих элементов требуется точный хронометр для их работы, как мы вскоре объясним. Очень важно иметь возможность продолжать работать, даже когда компьютер выключен или если батарея разряжена, поэтому обычно они носят с собой батарея в формате CR1220 или CR2032 что гарантирует автономную работу на долгие годы.

ИС RTC регулируют время с помощью кварцевого генератора, поэтому они не зависят от тактовых сигналов, как большинство аппаратных часов (например, ЦП, который зависит от этих часов реального времени). Помимо функции синхронизации системы и ее часов, часы реального времени гарантирует, что все процессы в системе правильно синхронизированы, что важно для работы ЦП. Хотя некоторые могут возразить, что это работа внутренних системных часов, на самом деле это зависит от часов реального времени.

Преимущества использования RTC на ПК:

Как работает RTC на ПК?

Некоторые RTC имеют встроенную температурную компенсацию, которая может расширить и повысить точность кварцевого генератора. Кристаллы также стареют, и это меняет их физическую природу, так что со временем они теряют точность. Типичные недорогие кристаллы, используемые в аппаратном обеспечении ПК, имеют допуск по частоте +/- 20 ppm (частей на миллион). Это означает, что кристалл с такой погрешностью может дрейфовать до 72 мс в час или 1.7 секунды в день, поэтому иногда потребуется калибровка.

Процессор, подключенный к RTC, получает обновленное системное время и постоянно записывает это новое значение в RTC, чтобы избежать этих отклонений, то есть CPU постоянно калибрует RTC чтобы всегда быть точным.

Источник

Почему ПК по-прежнему требует батареи CMOS?

Почему ПК по-прежнему требует батареи CMOS, учитывая, что они уже подключены?

Мы снабжаем ПК большим количеством энергии, подключая его к сети переменного тока, так почему же он все еще требует батареи CMOS?

3 ответа 3

Аккумулятор CMOS не предназначен для питания компьютера, когда он работает, он предназначен для поддержания небольшого количества энергии CMOS, когда компьютер выключен и отключен от сети. Основная функция заключается в том, чтобы часы работали, даже когда компьютер выключен. Без батареи CMOS каждый раз, когда вы включаете компьютер, вам нужно будет сбросить часы.

В старых системах батарея CMOS также обеспечивала небольшой заряд, необходимый для поддержания энергонезависимой памяти BIOS, которая запоминала настройки BIOS между перезагрузками. В современных системах эта информация обычно хранится во флэш-памяти и не требует сохранения заряда.

Батарея CMOS или батарея RTC обеспечивает питание часов реального времени, поэтому ваш компьютер может сохранять время, когда он отключен от сети.

Эта батарея использовалась и до сих пор используется для поддержания часов реального времени. Поскольку сегодня это единственная цель батареи, ее иногда называют батареей RTC. Это гарантирует, что ваш компьютер может продолжать сохранять время, даже когда он отключен от сети. Батарея, как правило, представляет собой легкодоступный кнопочный элемент CR2032 и может использоваться от 2 до 10 лет. Если ваш компьютер теряет время при отключении от сети более чем на несколько часов, пришло время заменить батарею. Смотрите: Как долго работает CMOS батарея (3 В) на материнской плате?

Источник

Время – деньги и наноамперы: применение часов реального времени Maxim Integrated

Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Зачем использовать внешнюю микросхему часов реального времени (RTC), а не внутренние RTC микроконтроллера? Хотя бы потому, что у RTC MAX31342 производства Maxim Integrated типовое потребление составляет 150 нА при 3 В и температуре 25°С, а у встроенных RTC одного из самых малопотребляющих микроконтроллеров при тех же условиях – примерно 370 нА.

Часы реального времени (Real-Time-Clock, RTC) являются важным элементом современных электронных устройств. Можно смело утверждать, что RTC имеет в составе каждое электронное устройство, хоть как-то связанное со временем: электронные часы, микроволновые печи, системы автоматического подогрева, беспроводные умные счетчики, а также смартфоны, компьютеры, духовые шкафы, холодильники и, конечно же, широкий спектр портативной электроники, в частности фитнес-трекеры, умные часы, глюкометры и так далее.

Часы реального времени являются относительно простым компонентом, однако их использование имеет важные особенности. По этой причине разработчики должны ответственно подходить к проектированию устройств с RTC.

Рассмотрим наиболее важные вопросы, связанные с часами реального времени производства Maxim, начиная от описания основных функций и структуры, и заканчивая рекомендациями по их использованию в составе электронных устройств. Для наглядности в качестве демонстрационного примера выбрана микросхема RTC MAX31342, так как сверхкомпактные габариты и сверхмалое потребление делают ее отличным выбором для широкого спектра популярных малопотребляющих и компактных электронных устройств с батарейным питанием.

Основные функции часов реального времени (RTC)

К основным функциям RTC относятся:

Если говорить о часах реального времени, интегрированных в состав микроконтроллеров и микропроцессоров, то обычно их размещают в специальном малопотребляющем домене, питание которого сохраняется в режиме глубокого сна и даже в режиме полной остановки. Среди режимов пониженного потребления микроконтроллеров очень часто выделяют режимы с RTC и без RTC, например, «Stop» и «Stop with RTС», «Standby» и «Standby with RTС». Более того, в некоторых современных малопотребляющих контроллерах RTС относят к домену с батарейным питанием. В нормальном режиме работы этот домен питается от штатного источника напряжения, однако если этот источник отключается, то домен очень быстро переходит на питание от дежурной батарейки, в то время как остальная часть микроконтроллера остается неактивной.

Из вышесказанного становится понятно, что одним из важнейших параметров часов реального времени оказывается уровень потребления. Чем меньше потребляет RTC, тем больше прослужит батарейка, и тем дольше будет вестись учет времени.

Теперь, когда основные функции часов реального времени определены, рассмотрим, каким образом они выполняют эти функции. Для этого необходимо проанализировать структуру RTC.

Базовая структура RTC Maxim

На рисунке 1 представлена типовая функциональная схема часов реального времени на примере MAX31342 [1]. Ключевыми компонентами схемы являются: внешний резонатор 32,768 кГц, генератор, регистры часов/календаря/будильников, логика и регистры управления, последовательный интерфейс (в данном случае I 2 C), схема внешней синхронизации.

Рис. 1. Функциональная схема часов реального времени MAX31342

Принцип работы RTC относительно прост. Резонатор совместно с генератором формируют опорный тактовый сигнал 32,768 кГц. Далее этот сигнал делится с помощью встроенных делителей, в результате чего получается сигнал 1 Гц, который измеряется счетчиком секунд. Данные счетчика секунд позволяют определить остальные временные параметры: минуты, часы, дату и прочее. Значения даты и времени хранятся в специальных регистрах и могут быть вычитаны внешним управляющим микроконтроллером по последовательному интерфейсу (в данном случае I 2 C).

При необходимости в качестве опорного сигнала для RTC может выступать сигнал от внешнего генератора, подаваемый на специальный вход CLKIN. В случае с MAX31342 допускается использование внешних тактовых сигналов 32,768 кГц, 50 Гц, 60 Гц и 1 Гц.

MAX31342 позволяет выводить собственный опорный тактовый сигнал на выход CLKOUT, что имеет большое значение при выполнении отладки (подробнее об этом говорится в разделе «Обзор отладочной платы MAX31342EWA+T»).

Выходы INTA/INTB служат для формирования пробуждающих сигналов или прерываний при достижении заданного момента времени. Эти выходы задействуются, если требуется обеспечить сверхмалое потребление для всего устройства. Обычно для минимизации потребления управляющий микроконтроллер большую часть времени находится в режиме ожидания и лишь иногда просыпается для быстрого выполнения необходимых действий. В большинстве случаев именно RTC отвечает за периодические пробуждения микроконтроллера с помощью выходов INTA/INTB.

У начинающих разработчиков обычно возникает вопрос, почему в качестве резонатора используется именно резонатор 32768 Гц. Дело в том, что число 32768 является степенью двух: 2 15 = 32768. Это очень удобно, так как подсчет импульсов ведется цифровыми двоичными счетчиками. При работе генератора с частотой 32768 Гц двоичный счетчик насчитает ровно 32768 импульсов в секунду, что соответствует показанию 8000h (шестнадцатеричное представление). То есть 15-й разряд счетчика переключается с «0» на «1» один раз в секунду, что существенно упрощает счет. Для сравнения, при использовании резонатора с «круглой» частотой 1 МГц за секунду будет сгенерирован 1 миллион импульсов, что соответствует не совсем удобному значению F4240h (шестнадцатеричное представление).

У более опытных разработчиков возникнет другой вопрос: почему на представленной схеме не отображены традиционные нагрузочные конденсаторы? Ответ очень прост: в RTC производства Maxim Integrated традиционно используется модифицированный генератор Пирса, построенный на КМОП-инвертере (рисунок 2) [2]. Понимая, что в современных компактных приложениях каждый квадратный миллиметр на счету, компания Maxim Integrated попросту встроила нагрузочные конденсаторы в RTC, равно как и дополнительные резисторы смещения.

Рис. 2. В RTC производства Maxim используется модифицированный генератор Пирса со встроенными нагрузочными конденсаторами и резисторами

Разумеется, у такого подхода есть и некоторые недостатки. В данной схеме кварцевый резонатор работает в режиме параллельного резонанса, для которого необходимо очень хорошо согласовывать параметры генератора, резонатора и нагрузочных емкостей. Так как нагрузочные конденсаторы в RTC Maxim уже встроены, то требования к кварцевому резонатору оказываются более жесткими. Стоит отметить, что выбор правильного резонатора с учетом допустимого уровня возбуждения и различных паразитных параметров (например, паразитной емкости платы), является отдельной важной темой и выходит за рамки данной статьи. Подробно с этим вопросом можно ознакомиться в других публикациях, например, в [2] или [3].

Стоит подчеркнуть, что в большинстве приложений при выборе кварцевого резонатора будет достаточно следовать рекомендациям компании Maxim Integrated (таблица 1) [2]. Кроме того, можно выбрать резонатор из списка рекомендованных моделей [2]. Некоторые распространенные проблемы, связанные с работой кварцевых резонаторов, раскрываются в разделе «Что делать. если возникли проблемы?».

Таблица 1. Рекомендуемые характеристики кварцевого резонатора для RTC производства Maxim Integrated [2]

Основные характеристики RTC

Рассмотрим характеристики RTC, на которые следует обращать внимание в первую очередь.

Функциональные возможности. Функционал имеет большое значение при выборе RTC. Если вам необходимо обеспечить минимальное потребление, то следует выбирать RTC с выходами пробуждения, с помощью которых можно выводить управляющий микроконтроллер из спящего состояния.

При отладке будет полезно иметь RTC, который может выводить свой опорный тактовый сигнал на дополнительный выход. Этот же сигнал пригодится и для тактирования других микросхем.

В приложениях, критичных к временному рассогласованию, следует выбирать RTC с возможностью синхронизации от внешнего сигнала.

Точность. Точность RTC определяется точностью используемого резонатора, правильностью согласования цепей тактирования, правильностью трассировки и компоновки печатной платы. В таблице 1 указаны рекомендуемые характеристики кварцевого резонатора, в том числе параметры, определяющие отклонение частоты: начальная точность, точка перегиба температурной зависимости и параболический коэффициент температурной зависимости.

Типовая начальная точность часовых кварцевых резонаторов составляет ±20 ppm при 25°С [4]. Для резонаторов 32768 Гц это соответствует погрешности, вычисляемой по формуле 1:

Такое отклонение приводит к уходу часов:

Подобная погрешность кажется более-менее приемлемой для коммерческих приложений и прочих электронных устройств, работающих преимущественно при комнатной температуре, однако все гораздо хуже, если прибор работает при более низких или более высоких температурах. Дело в том, что для обычных часовых кварцевых резонаторов характерна сильная параболическая температурная зависимость частоты. Пример такой зависимости показан на рисунке 3 [1].

Рис. 3. Пример температурной нестабильности часового кварцевого резонатора

Температурная зависимость частоты часового кварцевого резонатора имеет параболическую форму с точкой перегиба 25°С. При достижении предельно низких и предельно высоких рабочих температур отклонение частоты может увеличиваться до ±150 ppm. Такое отклонение соответствует уходу часов на 13 секунд за сутки и на 1,3 часа за год.

Если устройство работает автономно, не имеет возможности синхронизации с внешним сервером и, в то же время, должно обеспечивать высокую точность измерения времени, то в таких случаях рекомендуется использовать термостабилизированные генераторы или термокомпенсированные резонаторы (Temperature-Compensated Crystal Oscillator, TCXO). В составе термокомпенсированных резонаторов присутствует встроенный датчик температуры, который позволяет компенсировать отклонение частоты, вызванное изменением температуры. В результате график температурной зависимости принимает плоский вид.

В качестве альтернативного варианта можно рассмотреть использование RTC со встроенным термокомпенсированным генератором, например, DS3231S производства Maxim Integrated.

Стоит отметить, что TCXO имеют два основных недостатка: повышенное потребление и высокую стоимость, что ограничивает их применение в коммерческих малопотребляющих устройствах с батарейным питанием.

Заканчивая разговор о температурной стабильности, следует упомянуть еще об одной неприятной особенности кварцевых резонаторов, а именно – об ухудшении температурной стабильности после пайки. О таком поведении резонаторов необходимо помнить и учитывать в приложениях, требующих высокой точности. В то же время RTC с МЭМС-резонаторами, например, DS3231M производства Maxim, свободны от этого недостатка.

Погрешность частоты также увеличивается в процессе старения кварцевого резонатора. Типовым является уход точности на 1 ppm в год. В качестве альтернативы можно использовать RTC с МЭМС-резонаторами, выпущенными компанией Maxim Integrated, для которых старение не превышает 1 ppm в течение всего срока службы.

Еще одним источником погрешности при работе с RTC могут стать помехи и неправильно выбранный резонатор. Подробнее об этом говорится в разделе «Что делать если возникли проблемы?».

Потребление. В последнее время все больше устройств переходит на батарейное и аккумуляторное питание. Причем речь не всегда идет о портативных приборах. Многие устройства используют батарейки и аккумуляторы в качестве резервных источников питания. Это, например, характерно для медицинской техники. Еще большее число устройств использует батарейки и аккумуляторы в качестве дежурных источников питания, например, компьютеры. Другой модной тенденцией последнего времени стало использование сверхмаломощных сборщиков энергии (термогенераторов TEG, виброгенераторов, солнечных батарей и прочего), которые вынуждают разработчиков применять электронные компоненты с минимальным собственным потреблением.

RTC не являются исключением: чем меньше потребляют часы реального времени, тем дольше прослужит батарейка. В этом смысле RTC производства Maxim Integrated являются чрезвычайно привлекательными. Например, типовое потребление MAX31342 составляет всего 150 нА (рисунок 4) При этом во всем диапазоне питающих напряжений и рабочих температур потребление не превысит 330 нА.

Рис. 4. Зависимость потребления MAX31342 от температуры и напряжения питания

Для наглядности можно рассчитать длительность работы MAX31342 от обычной дисковой LiMnO2-батарейки CR1220. Возьмем для примера батарею R12 производства Renata со следующими параметрами: номинальное напряжение 3,0 В, напряжение разряда 2,0 В, емкость 35 мА⋅ч [5]. При разряде максимальным током 330 нА срок службы такой батарейки составит: 35 мА⋅ч/330 нА ≈ 106 061 часов ≈ 12,1 лет. При разряде номинальным током 150 нА срок службы превысит 26 лет.

Интересно, что саморазряд этой батарейки составляет 1% в год. Это эквивалентно разрядному току 39 нА, что всего в 4 раза меньше чем потребление MAX31342.

Габариты. Компактные размеры электронных компонентов имеют большое значение для современных портативных устройств. С одной стороны, использование малогабаритных компонентов позволяет уменьшить размеры печатной платы и тем самым снизить стоимость изделия. А с другой — благодаря компактным элементам удается ограничить массу и габариты самого устройства.

RTC производства Maxim отличаются сверхкомпактными габаритами. В частности, микросхема MAX31342 выпускается в восьмивыводном корпусе WLP с шагом выводов 0,5 мм и размером всего 1х2 мм, что позволяет умещать ее на печатной плате даже с жестким дефицитом свободного места.

Диапазон питающих напряжений. Чем шире диапазон питающих напряжений RTC, тем эффективнее используется емкость батарей и аккумуляторов. Это в первую очередь касается элементов питания с малым выходным напряжением.

В частности, MAX31342 имеет диапазон рабочих напряжений 1,6…3,6 В и может без проблем напрямую питаться от дисковых батареек 3 В, для которых напряжение разряда составляет 2,0 В. Причем данные MAX31342 будут сохранены, даже если напряжение питания упадет до 1 В.

Теперь, когда определены важнейшие характеристики RTC, нам осталось ответить на важный вопрос: зачем использовать микросхему RTC, если у большинства микроконтроллеров есть встроенные часы реального времени.

Часы реального времени: встроенные или внешние?

Для начала стоит отметить, что у большинства современных микроконтроллеров есть встроенные часы реального времени. Более того, встроенный блок RTC будет предпочтительным выбором для большинства приложений, так как он дает целый ряд преимуществ:

Тем не менее, у внешних микросхем RTC есть одно важное достоинство, которое может сыграть решающую роль при выборе часов реального времени. Речь идет о возможности обеспечения очень малого потребления.

Собственное потребление встроенных RTC будет выше, чем у дискретных микросхем. Дело в том, что встроенные RTC, являясь частью архитектуры микроконтроллера, требуют работы некоторых вспомогательных системных компонентов. В результате потребление дискретных RTC, не имеющих на борту ничего лишнего, значительно меньше.

Например, как уже говорилось выше, типовое потребление MAX31342 составляет всего 150 нА при 3 В и температуре 25°С, а при 85°С – около 250 нА (рисунок 4). Для сравнения, один из лучших сверхмалопотребляющих контроллеров в режиме ожидания с активным RTC и питанием от дежурной батарейки (3 В) обеспечивает типовое потребление 376 нА при 25°С. Однако при температуре 85°С потребление увеличивается до 602 нА. Тот же самый микроконтроллер в режиме ожидания, но с отключенным RTC и питанием от дежурной батарейки (3 В), обеспечивает типовое потребление всего 6 нА при 25°С и 264 нА при температуре 85°С. Даже если прибавить к этому потребление MAX31342, то суммарное потребление системы окажется существенно ниже (соответственно, 156 и 514 нА), чем у микроконтроллера с активным встроенным RTC.

Стоит еще раз подчеркнуть, что мы рассмотрели пример одного из лучших сверхмалопотребляющих контроллеров. Для микроконтроллеров общего назначения все оказывается еще хуже, так как для них типовое потребление при питании от дежурной батарейки начинается от единиц мкА.

Как уже отмечалось выше, RTC производства Maxim требуют минимум внешних компонентов и занимают совсем мало места на печатной плате (рисунок 5), что позволяет использовать их даже при жестком ограничении свободного пространства.

Рис. 5. RTC от Maxim Integrated требуют минимум внешних компонентов

Если при проектировании устройства было принято решение использовать внешнюю микросхему RTC, то прежде чем выполнять трассировку и компоновку печатной платы, следует внимательно ознакомиться с рекомендациями Maxim Integrated.

Особенности компоновки и трассировки печатной платы с RTC

На точность RTC сильное влияние оказывает качество согласования резонатора и нагрузочных емкостей. К сожалению, подбор емкостей осложняется наличием паразитной емкости печатной платы. Эту емкость необходимо по возможности минимизировать. Еще одной проблемой, препятствующей работе RTC, становятся помехи. Таким образом, только правильная трассировка и компоновка печатной платы позволят обеспечить приемлемый результат.

Подробный анализ процесса проектирования устройств с RTC рассматривается в руководствах Maxim Integrated, например, в [2]. Приведем только основные рекомендации, которые позволят избежать большей части проблем:

Если вы выбрали кварцевый резонатор в соответствии с требованиями Maxim Integrated (таблица 1), после чего выполнили трассировку печатной платы с учетом предложенных рекомендаций, то риск возникновения проблем минимален. Тем не менее, если проблемы все-таки возникнут, следует установить их источник.

Что делать, если возникли проблемы?

Так как вход RTC имеет очень высокий импеданс (более 9 ГОм), печатные проводники могут выступать в качестве антенны, принимающей шумы со всей платы. Помехи при этом могут восприниматься как тактовые импульсы и ускорять счет времени или, наоборот, кратковременно блокировать RTC, тем самым замедляя счет.

При возникновении проблем необходимо определить реальную частоту резонатора. К сожалению, частоту кварцевого резонатора нельзя измерять на выводах X1 и X2. Это связано с тем, что измерительные щупы имеют слишком высокую емкость и могут исказить сигнал. В качестве альтернативы можно использовать буферизированный сигнал на выходе RTC, разумеется, если такой выход есть. Например, MAX31342 позволяет выводить собственный опорный сигнал на выход CLKOUT.

Существует еще один простой и надежный способ контроля. Чтобы проверить, правильно ли работают часы реального времени, необходимо измерить реальную тактовую частоту RTC с помощью следующего алгоритма:

Если отклонения в обоих случаях были одинаковыми, то погрешность измерений не связана с шумами схемы. И наоборот, если отклонения оказались разными, то это означает, что собственные шумы схемы влияют на работу RTC.

Существует несколько вариантов дальнейших действий:

Несмотря на столь внушительный список проблем, в большинстве приложений работа с RTC не представляет особой сложности. Если же у вас появляются опасения, или предполагается работа платы в особых условиях (при повышенных/пониженных температурах, при высокой влажности и прочем), то на первом этапе можно воспользоваться готовым решением в виде отладочной платы. В качестве примера рассмотрим отладочную плату MAX31342EWA+T.

Обзор отладочной платы MAX31342EWA+T

Отладочная плата MAX31342EWA+T (рисунок 6) содержит на борту часы реального времени MAX31342EWA+, часовой кварцевый резонатор ECS-.327-6-12 производства ECS, микросхемы сдвига уровня NLSX4373DR2G, джамперы и колодку для установки MAX32625PICO [6]. MAX32625PICO позволяет подключать отладочную плату к ПК с помощью USB.

Рис. 6. Внешний вид отладочной платы MAX31342EWA+T

Для настройки работы MAX31342EWA+ используется специальное графическое ПО (рисунок 7), что существенно упрощает исследование возможностей RTC. Подробнее о возможностях этой отладочной платы можно узнать из демонстрационного видео [7].

Рис. 7. Прикладное ПО для работы с MAX31342EWA+T

Заключение

Часы реального времени являются важным элементом для широкого спектра устройств, начиная от настольных ПК и медицинской техники, и заканчивая промышленным оборудованием и портативными электронными устройствами.

Несмотря на целый ряд достоинств встроенных RTC, именно дискретные микросхемы RTC становятся оптимальным выбором при необходимости обеспечения минимального потребления.

Компания Maxim Integrated предлагает микросхемы RTC, которые отличаются минимальным потреблением и сверхкомпактными размерами. В частности, типовое потребление для RTC MAX31342 составляет всего 150 нА.

Источник