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硬件电路设计之RTC电路设计

CHANBAEK 来源:一杯苦Coffee 作者:一杯苦Coffee 2023-12-04 11:25 次阅读

1 简介

问题: 大家有没有想过当我们有些电子设备,在离线的情况下掉电一段时间后,重新开机后时间依然能正常显示?

基于上述的这个问题,我们很自然就能引出我们今天的主角——RTC。 RTC的英文全称为Real-Time Clock,它为人们提供精确的时间,或者为电子系统提供精确的时间基准。 目前实时时钟芯片大多采用精度较高的晶体振荡器作为时钟源。有些时钟芯片为了在主电源掉电时,还可以工作,需要外加电池供电

2 RTC电路设计

目前我接触过的RTC实现方式主要有三种: 超级电容纽扣电池RTC芯片+纽扣电池。

2.1 超级电容

什么是超级电容?

超级电容(SC,Super Capacitance)是能够快速存储和供应高功率电力以及大量循环(高达数百万次循环)而不会显示性能衰减的电化学装置。

超级电容器和电池有什么区别?

项目电池超级电容
充电次数有限,甚至不能充电。无限,几乎无限次循环利用。
内阻大小较高极低

超级电容的电路如何设计?

电路比较简单,由一个二极管(BAT54H1G)、一个电阻(510R)和一个超级电容(1.5F)组成。具体原理图见下:

图片

工作原理

当板卡上电时,超级电容通过二极管和电阻进行充电,同时给RTC进行供电;

当板卡掉电时,超级电容放电,给RTC供电。同时,由于二极管的单向导电性,不会造成额外的放电。

充电测试

时间(min)01530456075
电压(V)0.452.3682.8962.9753.0523.103
理论电压(V)02.0352.7562.9253.0693.125

注意:二极管的压降会随着超级电容电压的增加而降低。

放电测试

随着时间推移,超级电容的电压会逐渐降低,具体数据见下:

时间(天)1234567
电压(V)3.1032.952.8532.7062.5952.4902.390

2.2 纽扣电池

我们常见的电池有锌锰电池和锂电池,这二者无论是在工作原理还是在各方面的性能上都存在差别,下面分别来进行介绍:

锌锰电池和锂电池的工作原理有何不同?

锂锰电池工作原理:靠氧化锌和氧化锰反应产生电能。

锂电池工作原理:利用锂离子在正极和负极之间的往返流动产生电能。

锂锰电池和锂电池的优缺点是什么?

对比锌锰电池锂电池
价格偏低相对较贵
电量
寿命较短相对较长
效率效率低效率高

纽扣电池电路设计?

纽扣电池的设计比较简单,只需要一个二极管以一个纽扣电池底座连接器即可。有些电路可以在上面串联一个1K电阻,具体需要参考设计手册。

图片

使用纽扣电池时,通常为了保证设备在正常工作时不消耗电池的电量,通常使用两个二极管来进行切换,具体电路设计见下:

图片

纽扣电池底座:

2.3 RTC芯片和纽扣电池

这种RTC实现方式主要有以下两种应用场景:

没有提供RTC功能。

RTC功能耗电量较大。

今天主要给大家介绍一款RTC芯片,该芯片为DS1339U-33+,电源采用3.3V,采用无源晶振的频率为 32.768KHZ 的晶体,PIN8和PIN4为电源引脚,PIN3 连接纽扣电池,该芯片的电源供电和电池供电不需要二极管,内部有切换电路,当 3.3V 电源断电后自动无缝切换到电池供电,控制方式 I2C 如下图 PIN6 和 PIN5 脚,此接口并接在 I2C 总线上,芯片地址:1101000,查阅芯片资料有介绍芯片的地址,所用晶体规格有明确说明 32.768KHZ 的晶体需要 6pF负载电容,常规的 32.768KHZ 晶体都是 12.5pF。

图片

说明:

建议I2C电压标准为5V时,采用可充电电池;I2C电压标准为3.3V时,可采用固定容量的电池(如CR1632或者CR1220)。

DS1339U-33+在使用纽扣电池进行供电时,假如最大的供电电流是1uA,250mA 的电池能 用多久,250x1000/1=125000小时,按照这样计算电池能用 28 年。

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