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在非常溫的工作環境下，RTC時鐘出現偶發性的延時或者超時現象，成熟的RTC電路設計看似簡單，但如何保證RTC時鐘的精確度；在出現偶發性異常現象時，如何快速定位和解決問題；本文將分享一個案例。
一、案例情況
工控板使用了NXP的PCF8563 RTC 芯片方案，在研發做環境溫度摸底測試的時候， RTC時鐘出現偶發性延時或者超前現象，于是研發展開一系列的問題定位。
二、排查分析
1、工控板使用了NXP的PCF8563 RTC 芯片方案，該方案是外置32.768kHz的石英晶體和電容，該RTC芯片的輸出精度取決于其外接的石英晶體輸出的時鐘頻率是否精準。石英晶體本身輸出頻率帶有一定的誤差，常溫25℃下，頻率的誤差為±20ppm，平均誤差可達5分鐘/年。且隨著時間的增加，晶體電路元件的緩慢變化會造成長期性的頻率漂移。同時，在外部溫度較為極端的時候，時鐘震蕩回路可能出現異常，影響到RTC的正常計時。
2、工控板RTC芯片供電電池選用了型號為CR2032的鋰二氧化錳電池，該電池理論工作溫度范圍是-30℃~60℃。和其他鋰電池類似，若外部溫度較為極端的時候，會改變其內部的化學反應，導致電池壽命的降低或者電壓異常的風險，從而影響RTC電路的正常工作。
三、解決方案
極限溫度下長時間的高精度保證，有以下的解決方案：
1、選擇帶有溫度補償的RTC芯片如EPSON的RX-8025T。這款芯片是內置32.768kHz的晶體，具有高精度的溫度補償功能，輸出的波形都是經過溫度補償校準過的，這樣可以提高RTC的穩定性和精度。因為內嵌的晶體已經經過高溫老化處理，比獨立的晶體有更好的穩定性，精度誤差在-40℃~85℃范圍內小于±5ppm。
2、選擇工業級電池（例如：FANSO ER14505），理論上在工作溫度-40~85°范圍內能正常工作。參考電路圖如圖2所示：
由圖2可知，RTC芯片工作電源由系統VCC_3.3電源和電池電源兩部分組成。此電源電路的設計目的是當有外部電源供電時，RTC時鐘工作時使用由外部電源經LDO轉化而來的VCC_3.3電源，當外部電源停止供電時就自動切換到電池電源供電。這樣可以保證RTC芯片一直能夠正常地工作，同時可以延長電池的使用時間。此電路的設計如以下所述：
1） 電源切換電路設計
由RX-8025T芯片的數據手冊上可知，其工作電壓范圍是1.7V到5.5V；系統電源為3.3V、工業級電池ER14505電壓為3.6V；可以通過二極管的正向導通特性來自動切換系統電源和電池電源的供電狀態，使得RTC芯片能夠保持正常工作狀態。
由于系統電源電壓為3.3V，電池電壓為3.6V；如果要做到優先使用系統電源，那么就需要系統電源經過二極管后的電壓比電池經過二極管后的電壓要高，這樣才能保證由系統電源優先工作。可以通過選擇兩只不同管壓降的二極管來實現，二極管SS14的正向導通電壓為0.2V左右，1N4148的正向導通電壓為0.7V左右。那么可以在系統電源線路上串接一只SS14二極管，而在電池供電線路上串接一只1N4148二極管；這樣當外部供電時，系統電源經過SS14后得到的電壓值大于電池經過1N4148后的電壓值，此時由主電源供電；當外部電源停止供電后，電路自動切換成電池供電狀態。
2） 電壓滯后處理
ER14505電池是一種供電電壓為3.6V ，容量為2700mAh的鋰亞硫酰氯電池；它的自身容量損耗極小，可以忽略不計。以待機電流為20uA計算，電池的供電可以達15年左右。
但是在實際應用中，發現在系統電源長期供電后，突然切換到電池供電時發生電壓不足，導致RTC時鐘出現異常，其根本原因是電池發生了鈍化現象。
當RTC芯片由系統電源供電時，鋰電池相當于閑置開路，如果電池閑置的時間過長，那么電池的內部會產生鈍化膜，而切換到鋰電池供電時，如果滯后的電壓低于時鐘芯片的工作電壓，那么時鐘芯片就會完全“失壓”，系統時鐘就會恢復到初始時間，導致時鐘工作異常。為了消除這種現象的影響，我們可以通過在時鐘芯片的電源上增加儲能電容，以消除這種影響。
3） 控制鈍化膜生成
電池的鈍化膜是由于電池長時間處于閑置開路狀態而形成的，那么我們可以使電池一直維持在一個較小的電流放電工作狀態，這樣可以減緩電池的鈍化膜生成的速度。通過選擇合適的電阻值，使電池處于放電狀態，比如放電電流控制在待機電流20uA左右，這樣電池容量足夠支撐15年左右，同時不會使鈍化膜過厚而出現電壓滯后導致RX-8025T完全掉電現象，從而影響RTC時鐘的正常工作。
當系統電源供電時，Q1導通，由電池BT1、R1、Q1形成回路，實現電池的放電狀態；當系統電源停止供電時，Q1截至，電池經過D2給RTC芯片U1供電。經實測時鐘芯片及電池內阻自放電的電流為8uA左右，那么我們需要控制的電阻R1的阻值為3.6V/(20-8)uA=300k。
4） PCB設計
在PCB layout的時候需要注意RX-8052T與MCU的I2C走線應該越短越好，并且遠離高頻、高電流的信號線。同時旁路電容也應該靠近RX-8025T的電源端，并增加地線敷銅的面積，以防止干擾的產生。
四、總結
致遠電子嵌入式產品經過近二十年的設計經驗積累，從產品的RTC時鐘，電源管理，ESD防護電路，各類通訊接口等方面全面保證產品的穩定性。致遠電子從2001年從8位單片機方案設計開始，逐步掌握ARM7、ARM9、Cortex-A7、A8、A9、M7以及最前沿的A53等ARM體系的處理器應用技術，擁有全系列的工業級ARM核心板與工控機。同時，基于對嵌入式技術的理解與積累，我們自主研發下一代軟件開發平臺－Aworks實時操作系統，幫助用戶基于穩定的軟硬件平臺快速實現產品開發，基于ZLG工業級核心板/工控板開發的產品已廣泛應用于電力、軌道交通、工業現場、醫療等對產品可靠性要求較為苛刻的場合，并不斷深入為各行業提供整套行業應用解決方案。
