時間是我們不愿觀看、難以管理但又無法忘記的寶貴、有限的商品。在日常生活中幫助我們的無數電子設備的實用性很大程度上取決于它們跟蹤“實時”時間的能力，即我們用來標記日常生活的秒、分鐘、小時、天和年生活。

與靜態電子設備相比，電池供電的便攜式、可穿戴和物聯網設備面臨著更加完全不同（甚至可能是極端）的操作和環境條件，靜態電子設備在可預測的環境條件下運行，并提供永久電源。無論是發送最新的天氣報告還是計算鍛煉時消耗的平均卡路里，物聯網和移動設備都依賴于準確可靠地跟蹤時間的能力，即使在寒冷和潮濕的環境中可能會受到劇烈的身體運動，或者炎熱潮濕的地方。

在本文中，我們展示了這些條件如何對基于晶體振蕩器的實時時鐘 (RTC) 的性能規格產生負面影響，并展示了一種 RTC IC，它在需要耐用性性能的應用中結合了更高的計時精度和更高的魯棒性-有。

實時時鐘操作

大多數 RTC IC 使用來自 32.768 kHz 晶體振蕩器的 1 Hz 時鐘信號，通過計數秒來保持時間和日期信息，這是大多數電子應用使用的標準計時參考。時間和日期信息存儲在一組寄存器中，可通過通信接口（例如 I 2 C）訪問。晶體可以在 IC 外部或集成在同一封裝內。

計時精度、穩健性/堅固性、功率和尺寸是選擇 RTC 時要考慮的關鍵規格。正如我們將要討論的那樣，每種方法的相對重要性都與選擇獨立 RTC IC 還是使用已集成到系統微控制器中的 RTC IC 的選擇有關。

計時精度

RTC 的計時只能與其使用的計時參考一樣準確。不幸的是，典型的 32.768 kHz 音叉晶體在很寬的溫度范圍內不是很準確。由于其拋物線特性，該精度在室溫 (+25°C) 下通常為 ±20 ppm。這相當于每天增加或減少 1.7 秒的時間，或每年增加或減少 10.34 分鐘。

如圖所示，精度在更高和更低溫度下顯著降低。這些溫度下的典型精度遠低于 150 ppm，這相當于每天損失近 13.0 秒的時間，或每年超過 1.3 小時。

此外，晶體被調諧為在特定電容負載下以正確的頻率振蕩——在設計為向晶體提供 6 pF 負載的 RTC 上使用調諧為 12.5 pF 負載的晶體會導致時鐘運行過快。需要仔細的電路板布局和組裝，以盡量減少可能減慢時鐘的多余電容的影響。對于具有集成電容器的 RTC，時序精度受到 IC 制造商制造公差的限制。

圖 ：晶體精度與溫度的關系（圖片：Maxim Integrated）

堅固性——沖擊和振動

移動和便攜式設備經常受到機械沖擊和振動。無論是健身追蹤器由于鍛煉運動員的運動而經歷的振動，還是一件遙測設備從氣象氣球落回地球所經歷的 G 力，每個用例都帶來了自己的一系列挑戰.

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晶體振蕩器相對脆弱，使其容易受到更極端的沖擊和振動的損壞。即使在更溫和的條件下運行，它們也會因為每年大約 ±1 ppm 的老化速度而失去精度。

堅固性——溫度

在組裝過程中，印刷電路板反復經受高溫（回流）。此過程會對 RTC 的準確性產生不利影響。圖 顯示了典型回流操作（前和后）對基于晶體的 RTC 性能的影響，顯示了高達 5 ppm 的偏移。

圖 ：基于晶體的 RTC 回流前和回流后的時序精度（圖片：Maxim Integrated）

電流消耗和尺寸

雖然電流消耗和大小不直接相關，但它們是相互關聯的。許多應用使用集成在系統微控制器中的基于晶體振蕩器的 RTC。雖然這減少了電路板 IC 的數量，但它可能會產生意想不到的后果，即阻止微控制器進入超低功耗“深度睡眠”模式。

對于不連續使用的物聯網設備，例如，僅在檢測到運動時喚醒以傳輸圖片的遠程運動檢測器相機（否則保持睡眠模式），這一點很重要。必須保持準確的計時，即使在設備未使用時，典型的微控制器可能會消耗 60 0nA 以保持其 RTC 電路處于喚醒狀態，從而導致設備電池更快耗盡。

還應注意，計時精度也由微控制器制造商決定。基于外部 RTC IC 的解決方案提供了設計更準確和更低功耗解決方案的靈活性。

平衡的性能

圖 顯示了 RTC IC 的功能框圖，它在前面討論的所有功能要求之間取得了最佳平衡。

圖 ：帶有集成 MEMS 振蕩器的 MAX31343 RTC（圖片：Maxim Integrated）

MAX31343 IC采用集成MEMS諧振器和振蕩器，與基于晶體振蕩器的RTC相比具有多項優勢。時間變化僅為 ±5 ppm（或從 -40°C 到 85°C 時為 ±0.432 秒/天），它提供了 4 倍的計時精度提高，而變化可以忽略不計（由于老化或回流焊過程中的老化或回流，<±2 ppm板焊接） 。它也比基于晶體振蕩器的 RTC 更堅固，能夠承受機械沖擊（高達 2900 G；5 次沖擊 × 6 軸，JESD22-B104C 條件 H）和振動（可變頻率為 20 G；20/ 2000 Hz，JESD22-B103B 條件 1)。

它允許通過雙向 I 2 C 總線與微控制器進行串行數據通信。為了獲得額外的冗余，該 RTC 使用集成的電壓基準和比較器電路來監控 V CC的狀態。這使其能夠檢測主系統是否可能出現電源故障，并在需要時自動切換到備用電源（可充電電池或超級電容器）。

MAX31343 的典型工作電流為 940 nA，可通過額定 48 mAh 的 BR1225 鋰備用電池提供超過五年的計時。集成的涓流充電器可在正常運行期間使備用電池充滿電。

其他有用的功能包括兩個可編程的時間警報、中斷輸出、無補償的可編程時鐘輸出和溫度補償的可編程方波輸出。它采用 2.1 × 2.3 mm 8 引腳 WLP 或 4 × 3 mm 8 引腳 TDFN 封裝，可在 1.6 V 至 5.5 V 的寬電源電壓范圍內工作。

概括

電池供電的物聯網、便攜式和可穿戴電子設備預計將在廣泛變化的環境條件下運行，并具有足夠的魯棒性以承受機械振動和沖擊。這些條件會對常用的基于晶體振蕩器的 RTC 電路的精度和性能產生負面影響，從而影響它們對某些應用的適用性。

使用集成 MEMS 振蕩器的 RTC IC 可提供卓越的計時精度，該精度受環境條件或機械沖擊和振動的影響可忽略不計。在典型操作中消耗小于 1 μA，它適用于堅固的應用，包括工業傳感器、運動相機、手持儀器和可穿戴設備。

審核編輯：湯梓紅