【技术大神】智能电表应用:时钟芯片RX8025T的电源设计

2016-12-27 技术大神活动文章

智能电表领域,国网的技术条件要求时钟芯片采用锂电池供电,且在不更换电池及电表断电的前提下,维持电表时钟正确工作不少于5年。


智能电表作为一款工业级产品,其时钟芯片必须要同时具有低功耗和高精度两个特点。EPSONRX-8025T实时时钟芯片具有极低的功耗,内置高稳定度的32.768KHz的晶振,并自带温度补偿功能,通过相应的设置可以提高时钟精度。由于其强大的功能以及极简化的外围电路,得到电表厂商的青睐,成为了智能四表领域应用比较广泛的一款时钟芯片。下面以“时钟在电池供电的情况下工作5年”为目标,结合笔者的项目谈一谈RX-8025T电源的设计经验。


图1:RX-8025T电源电路


RX-8025T的电源方案一般如图1所示。时钟芯片供电采用二极管隔离,设计思路为节约时钟电池损耗,采取系统电源优先供电原则。设计时需要注意如下几点:


1)两个二极管的压降不同


图2:二极管的选型


从RX-8025T芯片的数据手册上我们可以看到,其工作电压范围比较宽:从2.2V到5.5V,这就使得我们可以在系统电源V3P3和电池供电VBAT_RTC(一般为3.6V)上使用具有正向压降的二极管,实际输入到时钟芯片的RTC在3V~3.3V之间。


需要注意的是,电池的二极管V23和系统电源的二极管V20选型必须不一样(如图2所示),这是因为一般的锂电池电压为3.6V,而系统电压为3.3V,同样压降的二极管之后,电池电压依然是偏高的。这样一来,即使在外部电源供电时,时钟也会消耗电池的电量。如果系统电压线路上的二极管选用SS14降低0.2V左右,那么时钟电路上的二极管选择管压降较大的LL4148降低0.6V左右则可以很好的解决这个问题。当外部供电时,系统电源经过LDO转出的3.3V电压在经过SS14后得到大于电池经过LL4148后的电压,此时RX-8025T由主电源供电;外部停电后系统电源无电时,切换到锂电池供电状态。


2)电池电源采用储能电容以防止电压滞后
锂电池在业内主流的选择为1200mAh容量的锂亚硫酰氯电池,供电电压为3.66V,自身容量年损耗极小,可以忽略。即使电表一直不上电,以整体长时间待机的最大电流20μA计算,电池的供电时长也可以达到6.85年。


但在实际应用中,笔者发现影响到时钟不能稳定工作五年以上的原因,往往并不是发生在电池供电的情况下,而主要是在外部电池长期供电后,切换到电池供电时发生的电压不足,其根本原因是电池钝化现象。


当电表由系统电源供电时,锂电池相当于闲置开路,其内部会产生钝化膜,而切换到锂电池电池供电时,如果滞后的电压低于时钟芯片的工作电压,那么时钟芯片就会完全“失压”,系统时钟会恢复到初始时间,导致时钟工作异常。为了消除这种现象的影响,我们可以通过在时钟芯片的电源上增加储能电容,以消除这种影响,如图2所示。


图3:储能电容的设计


由于电压滞后的时间比较长,电解电容无法对时钟电池持续很长时间的供电,但是我们可以避免实际电网线路中的瞬间失压,一般在一分钟以内。从RX-8025T的数据手册上可以看到,最大功耗不超过6.5uA,我们按照平均5uA估算,当我们需要电解电容在V3P3跌落后继续供电60秒以上时,我们需要的容量为:

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


我们知道电解电容在低温下会损失一部分的放电能力,不大于20%,那么按照80%容量估算,375uF/80%=468.75uF,我们选择的电解电容参数如图2中的C57所示,容值为470uF,耐压10V,电解电容必须要采用长寿命的。


3)电池电压采样电路控制钝化生成
在钝化膜生成之后,除了通过储能电容抵消影响之外,还可以使时钟芯片维持一个较小的电流放电,阻止钝化层过厚。通常这个任务由电池电压采样电路来完成:通过选择合适的电阻值,使电池放电电流控制在20uA左右,电池容量足够支撑6.85年,同时也不会使钝化膜过厚而出现电压滞后导致RX-8025T完全掉电现象。


实测时钟芯片及电池内阻自放电的电流为8uA左右,那么我们需要控制的采样电阻阻值为3.6V/(20-8)uA=300k,最终我们得到的设计原理图如图3所示,其中R1+R2=300k。


图4:优化后的原理图


4)其他
除了上述电源设计之外,实际上RX-8025T的I2C总线与CPU之间的接口电路设计也很重要,一旦设计不慎,会产生很大的电流消耗,导致时钟电池供电不足。


首先在I2C总线上需要注意电压匹配。由于大部分MCU均支持3.3V供电,所以一般不需要转换。当系统电压为5V时,需要特别注意RX8025T的I2C总线电压要求。另外,若在I2C总线上有多个器件时,应注意软件设计,防止对RX8025T的误操作。


其次,在PCB layout的时候需要注意RX-8025T与MCU的I2C走线应该越短越好,并且远离高频、高电流的信号线。同时旁路电容也应该靠近RX-8025T的电源端,并增加地线敷铜的面积,以防止干扰的产生。


最后,在生产制程方面,由于内置晶振的影响,对RX-8025T进行贴片时,炉温不宜随意设置,需要参考数据手册中的焊接温度虚线。手工焊接时,需要按照焊接晶振的加热温度和时间进行控制。


综上所述,通过上述三种电路措施,以及软件、PCB、生产制程的控制,在常规环境下,完全可以使时钟芯片满足“且在不更换电池且电表断电的情况下,维持电表时钟正确工作的时间不少于5年。”


作者:进击的老王

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