RTC电路分析

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一、 摘要

现在几乎所有的电子产品都带RTC功能，因此RTC电池的寿命肯定是越长越好。

二、 问题描述

本案例是一个带RTC功能的工业产品，RTC部分的供电电路如下图，产品发往市场半年以后，就提示更换RTC电池，远远低于设计寿命5年。

图1  有问题的RTC电池供电电路

三、 原因分析

产品返回公司以后，我们更换上新的RTC电池，串联高精度万用表进去测量电流，发现RTC的工作电流高达100uA, 和我们设计的5uA有很大的差距。我们怀疑的点有：

1、二极管D3漏电流太大，设备断电时，通过D3倒流到系统的电源上；

2、RTC芯片影响，原来的RTC芯片为NXP-PCF8563P，手册描述备用电源时功耗为0.25uA；中途有更换国产RTC；

3、RTC电源线路上有漏电路，例如电容的漏电流；

4、电阻R71影响；

我们通过排除法，先排除D3，因为去除D3，电流只减小1uA左右；接着排除RTC电源上电容等漏电流，（关注公众号 硬件笔记本）因为去除电容电流依然有100uA左右。

将RTC芯片更换为NXP-PCF8563P。电流正常，大约只有4uA。接着我们换回国产RTC，同时将电阻更换为100R，则电流也正常，只有4uA左右。

于是我们引出两个疑问:

（1）RTC电源上的串联电阻多少合适？

（2）为何串联10K的限流电阻会导致RTC芯片不仅没有变小，反而电流增大？

1. RTC电源串联电阻阻值多少合适？

RTC电源上串联的电阻阻值在网络上的争论一直在，有人说0R，有人说1K、10K等各种阻值，但是能够理论讲清楚的基本没有。

首先我们 要明白这个电阻的目的：限流。参考各个厂商的一次性纽扣电池，以阳光动力的CR2025为例，其他品牌类似，厂家要求电池在任何情况下都不允许短路，否则有可能炸裂或者爆炸。因此，一旦发生后级短路时，限流电阻必须将电流限定在最大持续放电电流以内，运行产品工作不正常，但是不允许产品起火甚至爆炸。

因此该型号的限流电阻最小值为 R=V/I=3V/3mA=1KΩ；对于电池来说，电阻可以比该阻值大，但是不能比该阻值小。

图2  电池厂家的电池规格要求

2. 串联10K电阻为何电流变大 ？

回答问题前，我们先了解一下RTC芯片的特性：

（1）RTC芯片有两种工作模式，一种是正常工作模式，一种是备用电源工作模式，如下图，两者的供电电流可以相差200倍；

（2）每一种模式下，RTC芯片都可以理解为一个恒流源，比如电池模式需要1uA左右，正常模式需要200uA左右；

（3）RTC的芯片的电压范围非常广，可以在1.5V~5.5V之间都可以正常工作。

RTC芯片可以理解为一个电流源，串联一个10K的电阻，当流过电流为100uA时，在电阻上的压降将会达到1V，如果此时电池电压只有2.6V，则RTC芯片的工作电压只有1.6V，如果电池电压更小，RTC芯片获得的电压更低，由于RTC芯片工作电压范围很广，（关注公众号 硬件笔记本）但是需要的电流是基本不变的，为了获得足够的电流，RTC芯片可以理解为进一步降低阻抗，导致电流进一步加大。国产芯片可能在正常工作模式和备用电源模式之间的切换的逻辑不够清晰，导致使用电池的时候也进入正常工作模式。（此为猜测，没有从厂商的资料中找到根据）。

图3  RTC芯片的直流工作参数

四、 解决方案

经过上述分析可知，为了延长电池的寿命，主要降低RTC回路上的电流。回路上的损耗主要由：电阻、二极管、RTC芯片、电容。

1、RTC电池模式电流

目前大部分的厂家的RTC芯片在电池模式下可以做到几百nA到1uA左右，因此RTC电流可以按照1uA进行估算。

2、二极管的漏电流

二极管的主要损耗在于漏电流，因此需要选择漏电流尽可能小的二极管，下图是BAS70系列二极管的漏电流的曲线图，为例保守起见，也可以按照1uA进行估算。

图4  BAS70系列二极管漏电流 /温度/电压曲线

3、电容损耗

电容的损耗主要也是体现在漏电流，RTC电池对电源要求不高，因此使用100nF的电容滤波即可，漏电流可以评估约0.5uA。

图5  常见陶瓷电容漏电流

4、电阻损耗

经过上述分析，总的电流=二极管漏电流+RTC芯片电流+电容漏电流=1uA+1uA+0.5uA=2.5uA。电阻一般可以选择1K。RTC芯片和电阻为串联关系。1K电阻1uA的压降 V=IR=1K*2.5uA=0.0025V，功率为p1=UI=0.0025V*1K=0.00625uW；RTC芯片的功率P2=UI=（3V-0.2V-0.0025V）*1uA=2.7975uW，电阻的损耗占比=P1/P2=0.089%，因此电阻的损耗基本可以忽略不计。

5、电池的寿命估算。

以阳光动力电池CR2025为例，电池自放电损失约每年1%，标称容量为150mAH，上述案例的寿命评估

T=150mAh*95%/（二极管漏电流1uA+RTC电流1uA+电容漏电流0.5uA）=57000H≈6.5年。

6、最终的解决方案

以阳光动力电池CR2025为例，二极管更换为更低漏电流1uA左右的BAS70系列，电阻只串联在电池上，只防电池短路，限制电流在3mA。

图6  改善后的RTC供电电路

五、 总结

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