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時鐘晶片RX8025T的電源設計

鋰電池在業內主流的選擇為1200mAh容量的鋰亞硫醯氯電池,供電電壓為3.66V,自身容量年損耗極小,可以忽略。即使電錶一直不上電,以整體長時間待機的最大電流20μA計算,電池的供電時長也可以達到6.85年。

但在實際應用中,筆者發現影響到時鐘不能穩定工作五年以上的原因,往往並不是發生在電池供電的情況下,而主要是在外部電池長期供電後,切換到電池供電時發生的電壓不足,其根本原因是電池鈍化現象。

當電錶由系統電源供電時,鋰電池相當於閒置開路,其內部會產生鈍化膜,而切換到鋰電池電池供電時,如果滯後的電壓低於時鐘晶片的工作電壓,那麼時鐘晶片就會完全“失壓”,系統時鐘會恢復到初始時間,導致時鐘工作異常。為了消除這種現象的影響,我們可以通過在時鐘晶片的電源上增加儲能電容,以消除這種影響,如圖2所示。

由於電壓滯後的時間比較長,電解電容無法對時鐘電池持續很長時間的供電,但是我們可以避免實際電網線路中的瞬間失壓,一般在一分鐘以內。從RX-8025T的資料手冊上可以看到,最大功耗不超過6.5uA,我們按照平均5uA估算,當我們需要電解電容在V3P3跌落後繼續供電60秒以上時,我們需要的容量為:

C=I*t/(Uo-Umin)=5uA*60s/(3V-2.2V)=375uF

我們知道電解電容在低溫下會損失一部分的放電能力,不大於20%,那麼按照80%容量估算,375uF/80%=468.75uF,我們選擇的電解電容引數如圖2中的C57所示,容值為470uF,耐壓10V,電解電容必須要採用長壽命的。

3)電池電壓取樣電路控制鈍化生成

在鈍化膜生成之後,除了通過儲能電容抵消影響之外,還可以使時鐘晶片維持一個較小的電流放電,阻止鈍化層過厚。通常這個任務由電池電壓取樣電路來完成:通過選擇合適的電阻值,使電池放電電流控制在20uA左右,電池容量足夠支撐6.85年,同時也不會使鈍化膜過厚而出現電壓滯後導致RX-8025T完全掉電現象。

實測時鐘晶片及電池內阻自放電的電流為8uA左右,那麼我們需要控制的取樣電阻阻值為3.6V/(20-8)uA=300k,最終我們得到的設計原理圖如圖3所示,其中R1+R2=300k。

4)其他

除了上述電源設計之外,實際上RX-8025T的I2C匯流排與CPU之間的介面電路設計也很重要,一旦設計不慎,會產生很大的電流消耗,導致時鐘電池供電不足。

首先在I2C總線上需要注意電壓匹配。由於大部分MCU均支援3.3V供電,所以一般不需要轉換。當系統電壓為5V時,需要特別注意RX8025T的I2C匯流排電壓要求。另外,若在I2C總線上有多個器件時,應注意軟體設計,防止對RX8025T的誤操作。 

其次,在PCB layout的時候需要注意RX-8025T與MCU的I2C走線應該越短越好,並且遠離高頻、高電流的訊號線。同時旁路電容也應該靠近RX-8025T的電源端,並增加地線敷銅的面積,以防止干擾的產生。

最後,在生產製程方面,由於內建晶振的影響,對RX-8025T進行貼片時,爐溫不宜隨意設定,需要參考資料手冊中的焊接溫度虛線。手工焊接時,需要按照焊接晶振的加熱溫度和時間進行控制。

綜上所述,通過上述三種電路措施,以及軟體、PCB、生產製程的控制,在常規環境下,完全可以使時鐘晶片滿足“且在不更換電池且電錶斷電的情況下,維持電錶時鐘正確工作的時間不少於5年。”