估算涓流充电实时时钟的超级电容备份时间

摘要：Maxim实时时钟(RTC)系列产品包含了几款带涓流充电器的器件，涓流充电器可以为第二个备份电池或电容充电。电池或电容用来在VCC掉电时维持时钟工作。储存在电容内的能量需要维持时钟工作一定的时间，具体取决于几个因素。本应用笔记讨论了如何根据电容尺寸计算备份时间。

另请参考应用笔记3816："Selecting a Backup Source for Real-Time Clocks"。

充电电路

图1给出了典型的涓流充电器电路，规定涓流充电器寄存器的高四位用于使能涓流充电器，低四位用于选择二极管压差和限流电阻。下图中，可以在充电通路插入二极管，也可以不使用二极管，可选择的电阻值为250Ω、2kΩ或4kΩ。有些器件提供了不同的二极管和电阻配置(详细情况请参考相关器件的数据资料)。电容连接在VBACKUP与地之间(图2)。


图1. 典型涓流充电电路


图2. 典型电路

用户根据所需要的最大充电电流选择二极管和电阻，需要时可与电容制造商联系，了解电容器的充电限制。

计算充电电流

最大充电电流可按以下方法计算：假设3.3V的系统电源加在VCC上，涓流充电器已经使能，没有使用二极管、选择了2kΩ电阻。当电容电压为零时可以计算出最大充电电流：

IMAX = (VCC - 二极管压差)/R2
= (3.3V-0V)/R2
≈ (3.3V-0V)/2kΩ
≈ 1.65mA

随着VBACKUP电压的升高，充电电流逐渐减小。

计算备份时间

下面，我们需要计算所需要的电容值。给定所要求的备份时间，我们还需要了解其他几个参数：电容的起始电压和最终电压、从电容吸取的电流以及电容值。

假设工作在VBACKUP时，RTC消耗固定的电流，可利用下式计算出最差工作条件下的备份时间，用小时表示：

[C(VBACKUPSTART - VBACKUPMIN)/IBACKUPMAX]/3600

式中，C是电容值，单位为法拉。
VBACKUPSTART是初始电压，单位为伏特。作用在VCC上的电压, 去掉二极管的压降，用于充电电路。
VBACKUPMIN是最终电压，单位为伏特(振荡器的最低工作电压)。
IBACKUPMAX是数据资料中给出的最大VBACKUP电流，单位为安培。

如果：C = 0.2F、VBACKUPSTART = 3.3V、VBACKUPMIN = 1.3V、IBACKUPMAX = 1000nA, 则：

小时 = [0.2(3.3 - 1.3)/(1e - 6)]/3600 = [0.2(2.0)(1e - 6)]/3600 = 111.1

如果我们需要了解典型的备份时间，应该用IBACKUP典型值(IBACKUPTYP)替代IBACKUP最大值(IBACKUPMAX)。

因此，如果VBACKUPTYP为3.3V (典型值)、IBACKUPTYP为600nA (典型值), 则：

小时 = [0.2(3.3 - 1.3)/(600e - 9)]/3600 = [0.2(2.0)(600e - 9)]/3600 = 185.2

上述计算假设IBACKUP是固定的，不考虑VBACKUP电压。Maxim RTC的振荡器很像一个电阻，所以，备份电流随着备份电压的降低而减小。可以计算出更接近实际情况的备份时间。

按照基础电子学，可由下式确定任意时刻的电容电压(放电电路如图3所示)：

V(t) = E(e-τ/RC)

图3. 放电电路

其中，τ为时间，单位为秒
E为初始电压，单位为伏特
V为最终电压，单位为伏特
R为负载电阻，单位为欧姆
C为电容值，单位为法拉

整理上式，可以解得t：

-ln(V/E)(RC) = t

从RTC数据资料, 我们可以查到振荡器的最小工作电压以及最大VBACKUP电流(IBACKUPMAX)。为了估算负载电阻，R，我们用数据资料中的VBACKUPMAX除以IBACKUPMAX (因为最大电流发生在最大输入电压情况下)。本例中，VBACKUPMAX为3.7V，IBACKUPMAX为1000nA, 结果为3.7/1e-6或3,700,000Ω。假设电容值为0.2F，已充电到3.3V, IBACKUPMAX为1000nA, 振荡器最低工作电压为1.3V, 备份时间计算如下：

-ln(VBACKUPMIN/VBACKUPMAX)[(VBACKUPMAX/IBACKUPMAX) × C]=
-ln(1.3/3.3)(3,700,000 × 0.2) =
689,353秒(191.5小时)

改变电容值C，可以确定备份电容供电时的运行时间。