采用Maxim实时时钟的晶体考虑因素

本应用笔记介绍了将32，768Hz晶体连接到实时时钟（RTC）的晶体选择和布局技术。它还提供有关振荡器电路设计标准、系统设计和制造问题的信息。

振荡器基础知识

Maxim RTC中使用的振荡器是Pierce型振荡器的CMOS反相变变体。图 1 显示了一般配置。这些 RTC 包括集成负载电容器 （CL1 和 CL2）和偏置电阻。皮尔斯振荡器利用在并联谐振模式下工作的晶体。在并联谐振模式下使用的晶体被指定为具有特定负载电容的特定频率。为了使振荡器以正确的频率运行，振荡器电路必须为晶体加载正确的容性负载。

图1.带有内部负载电容器和偏置电阻的RTC振荡器。

准确性

基于晶体的振荡器电路的频率精度主要取决于晶体的精度以及晶体与振荡器容性负载之间的匹配精度。如果容性负载小于晶体设计，则振荡器运行速度很快。如果容性负载大于晶体的设计用途，则振荡器运行缓慢。

除了晶体误差和负载匹配之外，晶体还随着环境温度的变化而改变其基本频率。Maxim RTC使用“音叉”晶体，其在整个温度范围内存在误差，如图2所示。20ppm 的误差相当于每月大约 1 分钟。

图2.晶体频率与温度的关系。

注意：如果需要更好的精度，可以使用TCXO，如DS32kHz。

晶体参数

图3显示了晶体的等效电路。在谐振频率附近，电路由一个串联电路组成，包括运动电感L1，运动阻力R1和运动电容C1.平行组件CO是晶体的分流电容。

图3.晶体等效电路。

负载电容CL是从晶体引脚上看到的振荡电路的容性负载。图 4 显示 CL作为与晶体并联的电容。振荡器电路中使用的负载电容器，CL1 和 CL如图2所示，加上电路中的任何杂散电容，组合起来就产生整体负载电容。所有Maxim RTC都集成了C CL1 和 CL2 个电容器。应注意尽量减少印刷电路板（PCB）布局中的杂散电容。以下公式显示了 C 之间的关系L和负载电容值：

CL = [(CL1 × CL2)/(CL1 + CL2) + CSTRAY]

图4.晶体负载电容器和等效并联负载。

大多数晶体允许的最大驱动电平为1μW。所有Maxim RTC均在1μW以下工作。 驱动电平可以 使用以下公式确定：

P = 2R1 × [π × 32,768(CO + CL)VRMS]²

其中VRMS是晶体两端电压的均方根值。

振荡器启动时间

振荡器启动时间高度依赖于晶体特性、PCB 泄漏和布局。高ESR和过大的容性负载是导致启动时间长的主要原因。使用具有推荐特性和正确布局的晶体的电路通常在一秒钟内开始。

 

参数	象征	最小值	典型值	麦克斯	单位
标称频率	fO		32.768		千 赫
频率容差	三角洲 f/fO		±20		页米
负载电容	CL		6		pF
温度周转点	T0	20	25	30	°C
抛物线曲率常数	k			0.042	页/°C
品质因数	Q	40,000	70,000
串联电阻	红沉降率			45	千分
并联电容	C0		1.1	1.8	pF
电容比	C0/C1		430	600
驱动器级别	DL			1	微瓦

 

注 1：某些器件允许更高的 ESR 值，请查看数据表以了解具体要求。

 

制造者	部分	频率容差 （ppm）	红光差 （千分电阻）	最大驱动电平 （μW）	CL-pF	备选方案 CL?	温度范围（°C）	表面或通孔	包装尺寸（毫米）	制造商订购号
Citizen	CFS-145	±20	40	1.0	8.0	yes	-10 to +60	TH	1.5 x 5.1
Citizen	CFS-206	±20	35	1.0	12.5	yes	-10 to +60	TH	2.1 x 6.2
Citizen	CMR-200T	±20	35	1.0	12.5 or 6.0	yes	-40 to +85	SMT	2.0 X 6.0	CMR200TB32.768KDZFTR or CMR200TB32.768KDZBTR
ECS, Inc.	ECS-3X8	±20	35	1.0	12.5	?	-10 to +60	TH	3.1 x 8.2
ECS, Inc.	ECS-2X6	±20	35	1.0	12.5	?	-10 to +60	TH	2.1 x 6.2
ECS, Inc.	ECS-1X5	±20	35	1.0	8	?	-10 to +60	TH	1.5 x 5.1
KDS/Daiwa	DT-26	±20 or ±30	40	1.0	12.5	yes	-10 to +60	TH	2.0 x 6.0	1TB602G00
KDS/Daiwa	DT-38	±20 or ±30	30	1.0	12.5	yes	-10 to +60	TH	3.0 x 8.0
Pletronics	WX26	±20	40	1.0	12.5	6.0	-10 to +60	TH	2.1 x 6.2	WX26-32.768k-6pF
Fox	NC-38		35	1.0	12.5	6.0	-20 to +60	TH	3.0 x 8.3
Seiko	C-001R	±20	45	1.0	12.5	6	-10 to +60	TH	3.1 x 8.0
Seiko	C-2	±20	35	1.0	12.5	6	-10 to +60	TH	2.0 x 6.0

 

注意：圆柱型尺寸为枪管直径和长度，不包括引线。所有尺寸都近似值。

 

制造者	部分	频率容差 （ppm）	红光差 （千分电阻）	最大驱动电平 （μW）	CL-pF	备选方案 CL?	温度范围（°C）	尺寸 （mm） 近似值，包括引线
精工	SP-T2	±20	50	1.0	12.5	是的	-40 至 +85	约8.7 x 3.7 x 2.5
爱普生	MC-306	±20	50	1.0	12.5	是的	-40 至 +85	约8.0 x 3.8 x 2.54
KDS	DMX-26S	±30	50	1.0	12.5	是的	-40 至 +85	约8.0 x 3.8 x 2.4

 

功耗

许多 RTC 设计为由电池供电。在典型应用中，小型锂电池 可用于在主电源关闭时运行振荡器和时钟电路。最大化电池 生活中，振荡器必须使用尽可能少的功率运行。为此，需要进行一些设计权衡 必须制作。

负电阻

对于典型的高频振荡器电路，通常电路设计为ESR的5倍或10倍裕量。低频晶体通常具有较高的ESR。RTC 振荡器的负电阻裕量可能小于 2 倍。低裕量振荡器电路通常消耗较少的电流。因此，RTC振荡器通常对相对少量的杂散泄漏、噪声或ESR升高很敏感。

该 CL的振荡器电路会影响功耗。具有12.5pF内部负载的RTC比具有6pF负载的RTC消耗更多的功率。但是，具有12.5pF负载电容的振荡器通常不太容易受到噪声的影响。

晶体布局指南

由于Maxim RTC的晶体输入具有非常高的阻抗（约109Ω），晶体引线就像非常好的天线，将高频信号与系统其余部分耦合。如果信号耦合到晶体引脚上，它可以抵消或增加脉冲。由于电路板上的大多数信号的频率比32.768kHz晶体高得多，因此更有可能在不需要的地方添加脉冲。这些噪声脉冲被计为额外的时钟“滴答声”，并使时钟看起来运行得很快。

以下步骤说明了如何确定噪声是否导致RTC快速运行：

系统通电并将RTC同步到已知的精确时钟。

关闭系统电源。

等待一段时间（两小时、24 小时等）。时间段越长，越容易 测量时钟的精度。

再次打开系统，读取时钟，并与已知的准确时钟进行比较。

将 RTC 重新同步到已知的精确时钟。

保持系统通电并等待与步骤 3 中的时间相等的一段时间。

等待上述时间段后读取时钟，并将其与已知的准确时钟进行比较。

通过使用上述步骤，可以确定系统通电和断电时时钟的精度。如果时钟在系统上电时被证明不准确，但在系统断电时被证明是准确的，则问题很可能是由于系统中其他信号的噪声引起的。但是，如果系统通电和断电时时钟都不准确，则问题不是由于系统噪声引起的。

由于噪声可能会耦合到晶体引脚上，因此在PCB布局上放置外部晶体时必须小心。遵循一些关于在PCB布局上放置晶体的基本布局指南非常重要，以确保额外的时钟周期不会耦合到晶体引脚上。

将晶体放置在尽可能靠近 X1 和 X2 引脚的位置非常重要。保留跟踪 晶体和RTC之间的长度尽可能小，从而降低噪声耦合的可能性，从而降低噪声耦合的可能性 减少天线的长度。保持走线长度小还可以减少杂散量 电容。

保持晶体键合焊盘和 X1 和 X2 引脚的走线宽度尽可能小。较大的 这些焊盘和走线，噪声越有可能从相邻信号耦合。

如果可能，在晶体周围放置一个保护环（接地）。这有助于隔离晶体 来自相邻信号耦合的噪声。有关在周围使用保护环的说明，请参见图 2 水晶。

尽量确保其他PCB层上没有信号直接在晶体下方或晶体下方运行 跟踪到 X1 和 X2 引脚。晶体与电路板上其他信号隔离得越多，越少 很可能是噪声耦合到晶体中。两者之间应至少有 0.200 英寸 连接到 X1 或 X2 的任何数字信号和任何迹线。RTC 应与任何 产生电磁辐射 （EMR） 的组件。对于分立式和模块类型也是如此 实时协议库。

在紧靠 晶体。这有助于将晶体与其他PCB层上的信号的噪声耦合隔离开来。请注意，接地层只需要在晶体附近，而不是在 整个董事会。有关本地接地层的示意图，请参见图5。请注意，周长 接地层不需要大于保护环的外围。

请注意，使用本地接地层时必须小心，因为它会引入杂散电容。走线/焊盘和接地层之间的电容被添加到内部负载电容器（CL1 和 CL2）. 因此，在考虑增加本地接地层时，必须考虑一些因素。例如，接地层引起的电容可以用 以下等式：

C = εA/t，其中
ε = PCB 的介电常数 A = 走线/焊盘的面积
t = PCB
层的厚度

因此，要确定接地层是否适合给定设计，必须考虑上述参数，以确保来自本地接地层的电容不足以减慢时钟速度。

图5.推荐的水晶布局。

检查振荡

设计人员在检查振荡器工作时遇到的第一个脉冲通常是将示波器探头连接到振荡器输入 （X1） 或输出 （X2） 引脚。使用实时时钟时，不建议这样做。由于振荡器设计为以低功耗运行（这延长了电池的工作时间），因此用示波器探头加载振荡器可能会使振荡器停止。如果振荡器不停止，额外的负载会降低信号幅度，并可能导致不稳定的操作，例如幅度变化。因此，应间接验证振荡。

振荡可以通过多种方式进行验证。一种方法是多次读取秒寄存器，寻找要递增的数据。在带有振荡器停止标志 （OSF） 的 RTC 上，清除并监视此位可验证振荡器是否已启动并持续运行。如果设计人员正在对设计进行故障排除并且无法与RTC通信，则这些方法不起作用。另一种方法是检查具有方波输出的RTC上的方波输出。检查数据手册，验证是否必须首先写入RTC才能使能振荡器和方波输出。请注意，大多数RTC方波输出均为漏极开路，需要一个上拉电阻才能工作。方波输出也可用于验证RTC的精度，但是，必须使用具有足够精度的频率计数器。

快速时钟

以下是导致基于晶体的 RTC 快速运行的最常见情况。

噪声从相邻信号耦合到晶体中。这个问题已经被广泛报道 以上。噪声耦合通常会导致RTC严重不准确。

错误的水晶。如果晶体具有指定的负载电容（CL） 大于 RTC 规定的负载电容。不准确的严重程度取决于 C 的值L.例如，使用带有 C 的晶体L在采用 12pF C 设计的 RTC 上为 6pFL导致 RTC 每月快约 3 到 4 分钟。

慢时钟

以下是导致基于晶体的 RTC 运行缓慢的最常见情况。

RTC 输入引脚上的过冲。通过定期停止振荡器，可能会导致RTC运行缓慢。这可以通过RTC的噪声输入信号无意中实现。如果输入信号上升到大于高于V的二极管压降（~0.3V）的电压DD，输入引脚的ESD保护二极管将正向偏置，允许基板充满电流。这反过来又使振荡器停止，直到输入信号电压降至V以上的二极管压降以下。DD.

错误的水晶。如果具有指定 C 的晶体，则 RTC 通常运行缓慢L小于 CL的 RTC。不准确的严重程度取决于 C 的值L.

杂散电容。晶体引脚之间和/或接地之间的杂散电容会降低RTC的速度。因此，在设计PCB布局时必须小心，以确保杂散电容保持在最低水平。

温度。工作温度离晶体周转温度越远，晶体振荡越慢。参见图 3 和图 4。

时钟不运行

以下是导致 RTC 无法运行的最常见情况。

时钟不运行时最常见的一个问题是时钟停止（CH）或使能振荡器（EOSC）位未按要求设置或清除。许多Maxim RTC都包含一个电路，可防止振荡器在首次通电时工作。这允许系统等待发货给客户，而无需从备用电池获取电力。当系统首次通电时，软件/固件必须启用振荡器并提示用户输入正确的时间和日期。

表面贴装晶体可能有一些常闭（无连接）引脚。确保晶体中的正确引脚连接到 X1 和 X2 引脚。

晶体制造问题

音叉晶体不应暴露于超声波清洗。它们容易受到共振振动的损坏。

晶体不应暴露在高于其最大额定值的温度下。暴露在过高的温度下可能会损坏晶体，并且通常会增加 ESR。晶体“罐”不应焊接到PCB上。这样做有时是为了将晶体的情况接地。直接焊接到晶体外壳上通常会使设备承受过高的温度。

RTC通常应在非冷凝环境中使用。振荡器导体周围形成的水分会导致泄漏，从而导致振荡器停止。保形涂层可用于保护电路，但是，保形涂层本身可能会导致问题。

一些保形涂料，尤其是环氧基材料，可能具有不可接受的离子污染水平。此外，如果在敷形涂覆之前未充分清洁 PC 板表面，保形涂层会导致污染物集中在引线和走线周围。

助焊剂残留会导致引脚之间泄漏。RTC振荡器电路由于其低功耗工作而对泄漏特别敏感。振荡器输入和输出之间的泄漏或接地泄漏通常会使振荡器无法运行。