利用RTC实时时钟模块实现系统级的低功耗

IoT(Internet of things)，物联网开辟了大量新应用，并产生了更多对监控或者控制功能的渴望。不幸的是，功耗也随着功能的增加而增加。这是考虑整个系统功耗需求的出发点。大量的功能模块消耗很大的电流。幸运的是，并非所有功能都需要在最大的功耗模式下持续工作。那么目标就是关闭当下不需要的一切功能以减小功耗。一个设备始终一直在工作的就要求超低功耗。可以考虑使用RTC，因为RTC实时时钟是一直在工作的。

性能很好的RTC模块在全速运行时的功耗低至60 nA。这样的RTC在保持时间的同时能够定期打开系统控制器来检查动作。通常能将当前总体功耗降低> 90％已经被证明是可以实现的。

本文不仅指出了应用中额外电流可能泄漏的痛点和敏感点，而且还提出了减少影响的措施。

目录

1.低功率¹低功耗

2.比较LED，无源LCD，MCU低功耗，RTC，低功耗RTC

3.在系统级别上进行低功耗划分

4.控制活动级别

5.关键器件RTC模块的选择

6.结果和结论

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低功率¹低功耗

**今天一切都声称是低功率（LP）。下一代应用程序可能只有轻微的功率减小就已经贴上了低功率LP标签。对于电池供电的系统，必须考虑实际的电流消耗与电池容量的关系。

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1.1 电流消耗

可穿戴式，便携式和许多IoT应用被迫使用最少的能量以减小功耗。利用低电压电源是一个很好的起点，因为大多数耗散都具有欧姆特性。选择并优化电路以实现最低功耗。不同元件的比较说明了单个电流消耗的大小：微控制器单元（MCU）不需要连续运行！

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比较LED，无源LCD，MCU低功耗，RTC，低功耗RTC

假设：3.0 V的电源电压

2.1 电池容量

下面几个参数使得锂电池（或锂电池组）非常受欢迎：

• 电源电压相对较高，为4.2 ... 3.9 V，非常适合具有峰值功率的电源功能
• 每体积容量高，每重量容量高
• 可观的充电/放电循环次数
• 提供各种容量，例如几千毫安

使用可充电电池是保持系统始终处于活动状态的理想选择。关键参数是：

• 低泄漏，因此自放电小
• 非常适合给低功耗RTC和记忆功能提供供电

作为备用电池，纽扣电池也很受欢迎：

例如一次性电池Li 2032 CR2032 MFRR，它是

• 体积小：Æ20毫米，厚度3.2毫米
• 恒定电源电压：3.0 V
• 容量：225 mAh
• 低成本
• 大量供应商：Renata，Duracell，Varta…
• 高可用性

2.2 运行时间

电流消耗随时间变化：

示例：无线远程监控模块。功能：根据控制系统的变化定期检查传感器，并且将大偏差值传输到基站。（Implementation A）在典型情况下，动作发生在时间a）的随机点。动作b）消耗最大电流。微控制器c）一直在运行以及时准备好以捕获必要的动作。集成在微控制器d）中的RTC允许对动作加时间戳。e）显示了总的电流消耗。

借助LOW POWER RTC模块(Implementation B），微控制器仅定期起来查看是否有动作要处理c'），其他没有事件处理的时间恢复到休眠模式，因此平均电流c''）可能降低到技术上的最小值。在实际情况下，动作时间（MCU处理事件）可能只是持续时间很短，只占整个时间段的一小部分，因此节省f）代表了主要部分。

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在系统级别上进行低功耗划分

在设计早期阶段考虑供电架构架构是一种良好的做法。电源线应按照不同功能块可以完全关闭的方式进行布线。

3.1 过程监视模块的通用示例

a）理想情况下，所有传感器都会连续激活（每秒1000次），但这是至关重要的吗？仔细研究每个单独的块可以探索降低功耗的潜力，只需延长采样之间的时间。

b）传感器1：只要温度<55°C，每分钟只需读取一次。当温度高于55°C，必须每10秒检查一次。

c）传感器2：水位不能快速变化，因此每15分钟检查一次就足够了。

d）通信：通信模块将在固定时间每天通信一次，或者在参数超过临界限值时立即通信。

3.2 关键点

关闭电源后，检查所有线路的漏电流。标准FET开关很容易泄漏几μA数量级的电流。具有开漏配置的通信线路也是潜在的漏电流来源。确保上拉电阻连接到控制器电源。用于开关电源的二极管必须是低泄漏肖特基型。

必须关闭测试频率输出并配置为最低功耗。

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控制活动级别

在以下情况下达到最低的系统功耗：

• 只有一个超低功耗设备始终保持开启状态，控制定期唤醒并保持时间。
• 关闭所有其他块，如果不可行，该模块需要进入休眠状态或最低功耗空闲模式。这可能意味着>> 95％的时间内唯一的需要供电的电路是RTC模块。

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选择关键器件： RTC模块

RTC模块优于具有单独Xtal的通用RTC，尤其适用于物联网和电源关键应用。将RTC电路与32 kHz晶振集成到模块中最少有5个参数得到优化：

• 由于晶体与振荡器的匹配相应地优化，因此精度更高。室温下的容差限制在±2到±20 ppm之间，而外部晶体的RTC由于匹配的扩散导致±30 ... 35 ppm。
• 外形尺寸小得多，与标准封装中的晶体尺寸大致相同：1.5 x 3,2mm。
• 由于振荡器电路采用密封封装，外部无法触及高阻抗触点，因此可承受恶劣的环境条件，如潮湿和灰尘污染。晶体和RTC电路的距离非常小降低了对杂散信号耦合的敏感性。
• 包装的设计保证了出色的温度跟踪。这种行为是准确补偿石英抛物线温度特性的基础。在-40°C至+ 85°C范围内，可以做到公差±3 ppm即大概误差2秒/周。
• 还可提供时间戳或用于切换备用电池的集成开关等附加功能。
• 独立的RTC模块可以作为完全独立的看门狗来监控执行期间的软件。

RTC模块非常适合在应用级别上节省功耗：

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结果和结论

有许多应用需要一次高计算能力来处理数据并在很短的时间内执行特殊任务。之后系统可以回退到空闲模式。增加一个专用的低功耗RTC模块来调度唤醒功能可将功耗降至最低。

将微控制器与低功耗RTC模块相结合

提高了系统性能：

• 最低功率预算
• 节省备用电源的成本：只需要一个更小的电池
• 准确的时间
• 自主看门狗功能

作者: Markus Hintermann, Product Manager Micro Crystal AG