當實時時鐘 IC (RTC IC) 在 90 年代后期出現在半導體市場時，它們的主要目的是保持時間并以比簡單的時鐘計數器更有用的方式提供數據和時間信息。從那時起，這些產品不斷發展，引入了多項新功能，例如警報、看門狗、時間戳記錄、嵌入式內存等。他們還將功耗降低到較淺的值。然而，近十年來，RTC 功能往往成為 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？此外，如果是這樣，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，例如物聯網，其中功率和準確性是關鍵因素。特性和電氣參數的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。

物聯網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，這一要求對于具有小型電池或由收集能量供電的物聯網設備至關重要。圖 1 顯示了低功耗 IoT 設備的典型框圖。MCU 管理設備的各種功能。它根據應用條件決定開啟或關閉外設。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生顯著的時間偏移，則它會被最小化。

圖 1：典型的物聯網架構

大多數 RTC IC 具有非常靈活的中斷管理，允許從毫秒周期到每年周期喚醒主機 MCU。即使 RTC 模式下的 MCU 具有相同的功能，RTC IC 的中斷管理完全獨立于軟件執行，這允許 MCU 處于完全休眠模式并提高應用程序的健壯性。

與 RTC 模式下的 MCU 電流消耗（在幾微安的范圍內）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

對于所有物聯網設備，保持時間至關重要。在沒有主電源的情況下，通過使用小電池或電容器來獲得事件發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；最小和最大電源電壓在計時持續時間中起著至關重要的作用。MCU 可以在 RTC 模式下工作，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，可在低至 1.0V 的電源電壓下保持時間，并可承受高達 4.5V 的電壓。這意味著，使用相同的電容器值作為備用電源，例如 1mF，鋰離子電池（最大電壓為 4.2V）作為主要電源，并假設能夠將電容器真正充電到其理論最大電壓，由獨立 RTC 供電的系統的可用能量約為 MCU-RTC 系統的 2.5 倍（5 mJ 對 1.9 mJ）。另一方面，對于相同的計時持續時間，獨立的 RTC 需要一個小而便宜的備用電容器。

表1：RTC模式下Standalone RTC與MCU的參數對比（典型值）

準確性

時鐘精度是實時時鐘功能的關鍵參數之一。時鐘精度反映在每天（或每月或每年）丟失或增加多少秒。通常，當物聯網設備與網絡通信時，會同步時間信息以將時間誤差設置為零。在這種情況下，準確性在很少與網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 下實現正負幾個 ppm。然而，大多數 MCU 的校準機制是以一種“開環”方式完成的，因為方波輸出（通常為 512Hz）在校準塊之前被帶出 MCU（見圖 2）。只有在不準確度反映在 MCU-RTC 寄存器中后才能應用校正量。例如，+2ppm 的誤差決定了一小時后+7.2 ms 的誤差（見表2）。由于大多數 MCU-RTC 的寄存器映射中的最小值為數十毫秒，因此僅在大約一個半小時后才能檢測到這種不準確度。

當然，這樣的時間量在生產環境中是不受歡迎的，因為在校準時需要付出大量額外成本才能實現正負幾 ppm 的高精度。

圖 2：數字校準與模擬校準的比較

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

表 2：32kHz ppm 不準確度和相關的時間損失/增益

噪聲容限

在工業或汽車等高噪聲環境中，作為 RTC 基礎的 32kHz 振蕩器必須足夠穩健，不會產生抖動或停止振蕩。根據經驗，晶體的負載電容越高，振蕩器對噪聲的抵抗力就越強。通常使用負載電容為 12.5pF 的晶體，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 晶體，與 6 或 7pF 晶體相比，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 300nA 左右。這再次轉化為應用的電流消耗降低。

成本

在介紹中，我們強調了 RTC 功能現在是任何現代 MCU 的基本功能，因此在某種程度上，MCU 制造商免費贈送。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 實際上可以節省成本：快速校準的生產成本，使用更小的電池節省成本，或者由于更好的噪聲魯棒性而更輕的屏蔽。總之，根據系統要求，獨立 RTC IC 的額外成本可能會被系統其他部分的成本節約所覆蓋：硬件、軟件或生產流程。

實際用例和待機生命周期場景

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 1：主要能源：鋰離子電池

備用電源：超級電容器

在這種情況下，必須在特定條件下（例如更換電池或電池完全放電）短暫地保持時間。另一種類似的情況（數字略有不同）發生在交流供電設備中，其中備用電容器用于在停電時保持時間。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，另一半時間是由更寬的支持電壓供應范圍提供的，該范圍將電容器能量壓縮到最大值（表 3）。

表 3：場景 1。3V 下的電流消耗為 330nA，4.2V – 1.0V 范圍內的平均電流消耗為 350nA。

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，由電容器中存儲的能量給出的間隙在 RTC 和 MCU-RTC 之間減小。這是因為主電源可以達到 3V 而不是 4.2V。如下表所示，兩種解決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 并沒有顯著優勢。但是，在決定是否使用獨立 RTC 時，應權衡其他考慮因素，例如準確性或穩健性。

表 4：場景 2

場景 3：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 這樣的備用電池允許使用獨立 RTC 和 MCU-RTC 進行數年計時。在下表中，未列出最大計時電壓，因為 BR 電池具有非常平坦的電壓與工作壽命（通常為 3V），因此最小備用電壓對計算沒有影響。獨立 RTC 增加的計時值只是因為其較低的電流消耗。

表 5：場景 3

然而，電氣特性或成本降低并不是獨立 RTC 可以提供的唯一類型的好處。由于高溫暴露，諸如 BR1225 之類的鋰基電池無法承受波峰焊接 SMT 工藝。在這方面，意法半導體開發了一套完整的系統，簡化了流程。M41T11MH6F 等產品采用帶孔的定制 SO28 封裝。SO28 組件與任何其他表面貼裝封裝一樣焊接在 PCB 中。另一個定制包包含 BR1225（或 BR1632）電池和晶體，這個名為 SNAPHAT 的組件安裝在 M41T11MH6F 的頂部，從而為用戶提供一個完整的系統，可以支持波峰回流焊接工藝：RTC IC、電池和水晶。

結論

基于 MCU 的 RTC 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、穩健性和低功耗是需要獨立 RTC 的關鍵要求。兩種解決方案之間的比較應該考慮系統的所有元素：從 BOM 到測試，再到 PCB 制造。
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