利用精确的I²C实时时钟实现完美设计

本应用笔记概述了精密I²C实时时钟（RTC）的工作特性，包括DS3231、DS3231M和DS3232。本文重点介绍一般应用指南，便于将器件资源用于电源管理、I²C通信电路配置以及与器件上电序列和初始化相关的I²C特性。本文还对去耦进行了其他讨论，以支持制定缓解器件频率电源推力的策略。

介绍

多年来，I²C通信已成为客户关于精确实时时钟（RTC）的问题中反复出现的主题。这包括电路设置和操作等基本主题，以及管理与I²C端口上所有器件的通信。在许多情况下，在实施电路和固件设计之前，需要做出几个关键决策。本应用笔记提供了精确RTC特性的基本操作概述，因此硬件/固件工程师可以决定如何有效地管理精确的RTC资源。

I²C端口在精确RTC中的关键工作特性

Maxim的精确RTC具有双电源。如图1所示，根据应用和所需的使用条件，可以实现三种电源配置。这些电源的目的是在主电源和备用电源（如电池或超级电容器）之间提供可管理的低电流电源切换。

图1.电源配置。

图1.电源配置。

与许多采用双电源架构的标准RTC不同，Maxim的RTC使I²C端口通信成为可能，无论哪种电源为器件供电。这意味着当由主电源供电或设备通过 V 供电时，用户可以与设备通信.BAT（或二级供电终端）。大多数双电源模式仅允许在器件通过主电源或 V 供电时与器件通信抄送.

此功能可能会使设计复杂化。实现无论使用何种电源都能通信的电路，需要仔细考虑如何设置I²C端口。在没有电源的情况下，I²C端口需要通电且可用。SDA和SCL不应因缺乏供应而被拉到地;否则无法进行通信。

使用两个电源时的一般方法是使用ORing二极管在电源之间切换。图2说明了所描述的技术。这种方法的重要性在于确保当一个电源不可用或可能处于地电位时实现适当的电源隔离。

图2.双电源I²C设置。

图3提供了单电源工作模式的示例，这些工作模式易于针对I²C通信进行配置。上拉电阻简单地连接到电源，在与RTC通信期间将使用。

图3.单电源I²C设置。

电源相关器件初始化

精确的RTC将启动某些动作，这些动作取决于在初始电源施加期间连接两个电源中的哪一个。在使用电池（连接到 V.BAT），通常电池电压将是 RTC 将看到的第一个电压。为了节省电池电量，RTC具有“新鲜度密封”模式。此模式可防止内部电路在完全运行开始之前通电。如果满足两个条件之一，则释放此模式。首先，当对V施加有效电压时，RTC将退出“新鲜度密封”模式抄送终端。如果设备在从有效的V操作时收到有效的I²C地址，则会出现退出“新鲜度密封”的第二个条件.BAT电源电压。

一旦满足任一条件，精确的RTC振荡器将启动。典型的振荡器启动时间小于1秒。有效 V 后约 2 秒抄送或有效的I²C地址，RTC将进行温度测量，并将计算出的校正应用于振荡器。此时，只要有有效的电源可用，RTC 将继续运行并调整频率输出（V抄送或 V.BAT).温度测量将定期进行（由器件类型指定），并根据振荡器时基进行计算校正：数字（DS3231M、DS3232M）或模拟（容性负载：DS3231S、DS3232、DS3234、DS32kHz）。

在第一次上电时（启动内部上电复位 （POR） 序列时），时间和日期寄存器设置为 01/01/00 01 00：00：00 [DD/MM/YY DOW HH：MM：SS]（其中 DD = 天，MM = 月，YY = 年，DOW = 星期几，HH = 小时，MM = 分钟，SS = 秒）。

与I²C的通信应至少在建立有效电源后的前2秒内保持关闭。在电源建立后的前2秒内，精确的RTC启动其振荡器，调用校准代码，启动温度传感器读取，并应用频率校正。

在上电期间尝试读取器件可能会导致计时精度不确定的结果，或者可能会损坏校准存储器中的召回。对于基于晶体的RTC，召回事件中的损坏可能导致需要启动另一个温度转换/频率校正。

与I²C通信有关的大多数应用问题都与I²C端动在接通电源的前2秒内暂存有关，或者设备在由V供电时收到有效的I²C地址.BAT.图4显示了使用精确RTC安全开始通信的首选时序图。一旦达到“器件工作”区域，I²C通信就可以安全地开始，而不会中断POR初始化序列。

图4.上电时序图。

在单电源操作中管理电源

三种电源配置模式在“精确RTC中I²C端口的关键工作特性”一节中简要介绍。虽然精确的RTC设计独特，用于管理双电源工作模式，但一些用户希望在RTC外部创建自定义双电源工作模式。他们选择在单电源配置下操作RTC，要么向V供电抄送端子或 V.BAT终端。

在设计电源的定制外部开关时，请仔细考虑I²C通信、电源去耦，当使用电池作为电源时，应考虑与功耗相关的去耦要求。直接在精确的RTC上了解噪声、接地反弹和切换时间等开关特性非常重要。在单电源模式下，请注意器件电源初始化顺序、频率更新速率和工作特性。每个器件的操作性能可能略有不同，具体取决于它是否由 V 供电抄送或 V.BAT终端。基于微电子机械系统（MEM）的RTC将具有不同的频率调整速率，具体取决于它们是否由V供电抄送（1s） 或 v.BAT（10秒）。

数据手册中关于 V 上电容去耦的建议抄送分别为 0.1μF 和 1.0μF。这些电容器应尽可能靠近器件放置。在用户打算通过使用二极管切换电源或将电阻与电源端子串联的配置中，仍建议去耦尽可能靠近器件的电源端子。无论 V 是否抄送或 V.BAT端子用作主电源。图5显示了串联电阻下的位置。

图5.单个电源的去耦。

图5所示的配置常见于客户遇到频率精度问题的应用中。遇到频率问题的客户将去耦电容放在B点，不建议在此时去耦。为了获得最佳性能，建议将点 A 用作解耦点。这有助于减轻由于基本器件工作特性导致的电流波动而导致的潜在电源推动。一般设计规则是去耦电容位置内没有精确RTC以外的任何元件。A点的去耦为降噪和提高精确RTC的频率稳定性/精度性能提供了最佳选择。

管理双电源操作中的电源

使用电池（在 V 上）实现双电源操作.BAT）来维持时钟寄存器和/或非易失性器件存储器可以从两种基本设计方法中受益。一、初级电源的去耦，V抄送，应遵循上一节在单电源操作中管理电源中提出的建议。其次，如果 V.BAT电源是真正的电池，并不总是需要或推荐去耦电容器。由于放置在电池两端的去耦电容会增加漏电流，因此为了实现最小的电流消耗，不应使用去耦电容。如果器件在 V 下运行时不打算与精确的 RTC 通信，这一点就更加重要.BAT供应。

图6.管理双电源。

结论

Maxim的精确RTC产品系列在精度至关重要的应用中提供极佳的计时精度。了解特定器件如何从三种电源配置中的每一种工作将有助于确定哪种电源配置最适合特定应用。电源的去耦对于器件性能始终很重要，遵循概述的准则将提供最佳结果。

始终查看电路实现方案，以了解精确RTC下的噪声、接地反弹和切换时间等开关特性，以最大限度地降低这些开关特性。在单电源模式下，请注意器件电源初始化顺序、频率更新速率和工作特性。对于所有上电模式，请注意在启动I²C通信之前需要2秒的延迟。

审核编辑：郭婷