实现完美的设计与精确的I²C实时时钟，带你了解RTC的特性

来源：analog 发布时间：2023-09-15

摘要： 本应用笔记概述了精确I²C实时时钟(rtc)的工作特性，包括DS3231, DS3231M和DS3232。它侧重于一般应用指南，方便使用设备资源进行电源管理，I²C通信电路配置，以及与设备上电序列和初始化相关的I²C特性。本文还对去耦问题进行了进一步的讨论，以支持开发减轻电源对器件频率推动的策略。

多年来，在客户关于精确实时时钟(rtc)的问题中，I²C通信已成为一个反复出现的主题。这包括基本的主题，如电路设置和操作，以及管理到I²C端口上所有设备的通信。在许多情况下，在实现电路和固件设计之前需要做出几个关键决定。本应用笔记提供了精确RTC特性的基本操作概述，因此硬件/固件工程师可以决定如何有效地管理精确RTC资源。

精确rtc中I²C端口的关键工作特性

精确的rtc有双电源。如图1所示，根据应用和所需的使用条件，可以实现三种电源配置。这些电源的目的是在主电源和备用电源(如电池或超级电容器)之间提供可管理的低电流电源切换。

图1所示电源配置

与许多使用双电源架构的标准rtc不同，rtc使i2c端口通信成为可能，而不管哪个电源为设备供电。这意味着用户可以在主电源供电或设备通过V(BAT)(或二次供电终端)供电时与设备通信。大多数双电源模式仅允许通过主电源或V(CC)供电时与设备通信。

这个特性会使设计复杂化。实现无论使用何种电源都能进行通信的电路需要仔细考虑如何设置I²C端口。在无电源供电的情况下，需要对I²C端口进行供电。SDA和SCL不应被缺席的电源拉到地;否则沟通就无法进行。

当使用两个电源时，一般的方法是使用一个ORing二极管在电源之间切换。图2说明了所描述的技术。这种方法的重要性在于确保在一个电源不可用或可能处于地电位时实现适当的电源隔离。

图2 双电源I²C设置

图3提供了一个单电源工作模式的示例，它很容易配置为I²C通信。上拉电阻简单地连接到与RTC通信期间将使用的电源。

图3 单电源I²C设置

依赖于电源的设备初始化

准确的rtc将启动某些动作，这些动作取决于在初始应用电源期间连接的两个电源中的哪一个。在使用电池的应用中(连接到V(BAT))，通常电池电压将是RTC将看到的第一个电压。为了节省电池电量，RTC有一个“新鲜密封”模式。此模式可防止内部电路在开始完全运行之前供电。如果满足以下两个条件之一，则释放此模式。首先，当有效电压施加到V(CC)端子时，RTC将退出“新鲜度密封”模式。如果设备在使用有效的V(BAT)电源电压时接收到有效的I²C地址，则会出现退出“新鲜度密封”的第二个条件。

一旦满足任何一个条件，精确的RTC振荡器将启动。典型的振荡器启动时间小于1秒。在有效的V(CC)或有效的I²C地址后大约2秒，RTC将进行温度测量并将计算出的校正应用于振荡器。此时，只要有有效的电源可用(V(CC)或V(BAT))， RTC将继续运行并对频率输出进行调整。温度测量将定期进行(由器件类型指定)，并根据振荡器时间基进行计算修正-数字(DS3231M, DS3232M)或(电容长:DS3231S, DS3232, DS3234, DS32kHz)。

在第一次上电时(当内部上电复位(POR)序列启动时)，时间和日期寄存器设置为01/01/00 01 00:00:00 [DD/MM/YY DOW HH:MM:SS](其中DD =日，MM =月，YY =年，DOW =星期，HH=小时，MM =分钟，SS =秒)。

在建立有效的电源后，与I²C的通信应至少保持2秒。在电源建立后的前2秒内，精确的RTC启动其振荡器，召回校准代码，启动温度传感器读取，并应用频率校正。

尝试在上电期间读取设备可能会导致计时精度方面的不确定结果，或者可能会损坏校准存储器中的召回。对于基于晶体的rtc，召回事件中的损坏可能导致需要启动另一次温度转换/频率校正。

大多数与I²C通信有关的应用问题都与I²C端口活动在供电后的前2秒内进行，或者设备在从V(BAT)供电时接收到有效的I²C地址有关。图4展示了与精确RTC安全开始通信的首选时序图。一旦到达“设备操作”区域，I²C通信就可以安全地开始，而不会中断POR初始化序列。

图4 上电时序图

管理电源在单电源运行

在“精确rtc中I²C端口的关键工作特性”一节中简要介绍了三种电源配置模式。虽然精确的RTC是专门设计用于管理双供应模式的操作，但一些用户希望在RTC外部创建自定义的双供应模式操作。他们选择在单电源配置中操作RTC，要么向V(CC)端子供电，要么向V(BAT)端子供电。

在设计定制外部开关电源时，要仔细考虑I²C通信、电源去耦，当使用电池作为电源时，要考虑去耦要求，因为它与功耗有关。重要的是要了解开关特性，如噪声，地面反弹，和切换时间直接在准确的RTC。在单电源模式下，要注意设备的电源初始化顺序、频率更新速率和操作特性。每个设备的操作性能可能略有不同，这取决于它是由V(CC)还是V(BAT)端子供电。基于微机电系统(MEMs)的rtc将具有不同的频率调节速率，这取决于它们是由V(CC) (1s)还是V(BAT) (10s)供电。

数据表建议在V(CC)上去耦电容器为0.1µF和1.0µF。这些电容器应尽可能靠近器件放置。在用户打算通过使用二极管来切换电源或将电阻与电源端子串联的配置中，仍然建议在尽可能靠近设备的电源端子的地方进行去耦。无论使用V(CC)还是V(BAT)端子作为主电源，都是如此。图5用一个串联电阻说明了这个位置。

图5 单电源去耦

图5中所示的配置通常出现在客户遇到频率精度问题的应用程序中。遇到频率问题的客户将去耦电容放置在b点。不建议在此处去耦。为了获得最佳性能，建议使用点A作为解耦点。这有助于减轻由于基本设备工作特性造成的电流波动所导致的潜在电源推动。一般的设计原则是在去耦电容位置内，除了精确的RTC之外，不要有任何元件。A点的去耦为降低噪声和提高精确RTC的频率稳定性/精度性能提供了最佳选择。

双路供电管理

使用电池(在V(BAT)上)来维持时钟寄存器和/或非易失性设备存储器的双电源操作可以从两种基本设计方法中受益。首先，一次电源V(CC)的解耦应遵循前一节在单电源运行中管理电源中提出的建议。其次，如果V(BAT)电源确实是电池，则不总是需要或推荐去耦电容器。由于在电池上放置去耦电容会增加漏电流，为了达到最小的电流消耗，不应该使用去耦电容。如果在设备从V(BAT)电源运行时不打算与准确的RTC通信，则这一点更为重要。