RTC电源上的串联电阻多少合适?串联10K电阻为何电流变大?

硬件笔记本 2024-07-12 07:58

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之前分享了一位兄弟的RTC笔记,现在网上看到一个案例,有用到RTC的兄弟们可以一起看看 

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,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,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。***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。回路上的损耗主要有: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=U*U/R=0.0025V*0.0025V/1000=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
本文回复了RTC的两个问题。
1、RTC电池要不要串联电阻,电阻阻值多少合适。

2、RTC 寿命的评估考虑因素

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