硬件电路设计之RTC电路设计

1 简介

问题： 大家有没有想过当我们有些电子设备，在离线的情况下掉电一段时间后，重新开机后时间依然能正常显示？

基于上述的这个问题，我们很自然就能引出我们今天的主角——RTC。 RTC的英文全称为Real-Time Clock，它为人们提供精确的时间,或者为电子系统提供精确的时间基准。 目前实时时钟芯片大多采用精度较高的晶体振荡器作为时钟源。有些时钟芯片为了在主电源掉电时，还可以工作，需要外加电池供电。

2 RTC电路设计

目前我接触过的RTC实现方式主要有三种： 超级电容 、 纽扣电池 、RTC芯片+纽扣电池。

2.1 超级电容

什么是超级电容？

超级电容（SC，Super Capacitance）是能够快速存储和供应高功率电力以及大量循环（高达数百万次循环）而不会显示性能衰减的电化学装置。

超级电容器和电池有什么区别？

项目	电池	超级电容
充电次数	有限，甚至不能充电。	无限，几乎无限次循环利用。
内阻大小	较高	极低

超级电容的电路如何设计？

电路比较简单，由一个二极管（BAT54H1G）、一个电阻(510R)和一个超级电容（1.5F）组成。具体原理图见下：

工作原理

当板卡上电时，超级电容通过二极管和电阻进行充电，同时给RTC进行供电；

当板卡掉电时，超级电容放电，给RTC供电。同时，由于二极管的单向导电性，不会造成额外的放电。

充电测试

时间（min）	0	15	30	45	60	75
电压（V）	0.45	2.368	2.896	2.975	3.052	3.103
理论电压（V）	0	2.035	2.756	2.925	3.069	3.125

注意：二极管的压降会随着超级电容电压的增加而降低。

放电测试

随着时间推移，超级电容的电压会逐渐降低，具体数据见下：

时间（天）	1	2	3	4	5	6	7
电压（V）	3.103	2.95	2.853	2.706	2.595	2.490	2.390

2.2 纽扣电池

我们常见的电池有锌锰电池和锂电池，这二者无论是在工作原理还是在各方面的性能上都存在差别，下面分别来进行介绍：

锌锰电池和锂电池的工作原理有何不同？

锂锰电池工作原理：靠氧化锌和氧化锰反应产生电能。

锂电池工作原理：利用锂离子在正极和负极之间的往返流动产生电能。

锂锰电池和锂电池的优缺点是什么？

对比	锌锰电池	锂电池
价格	偏低	相对较贵
电量	少	多
寿命	较短	相对较长
效率	效率低	效率高

纽扣电池电路设计？

纽扣电池的设计比较简单，只需要一个二极管以一个纽扣电池底座连接器即可。有些电路可以在上面串联一个1K电阻，具体需要参考设计手册。

使用纽扣电池时，通常为了保证设备在正常工作时不消耗电池的电量，通常使用两个二极管来进行切换，具体电路设计见下：

纽扣电池底座：

2.3 RTC芯片和纽扣电池

这种RTC实现方式主要有以下两种应用场景：

没有提供RTC功能。

RTC功能耗电量较大。

今天主要给大家介绍一款RTC芯片，该芯片为DS1339U-33+，电源采用3.3V，采用无源晶振的频率为 32.768KHZ 的晶体，PIN8和PIN4为电源引脚，PIN3 连接纽扣电池，该芯片的电源供电和电池供电不需要二极管，内部有切换电路，当 3.3V 电源断电后自动无缝切换到电池供电，控制方式 I2C 如下图 PIN6 和 PIN5 脚，此接口并接在 I2C 总线上，芯片地址：1101000，查阅芯片资料有介绍芯片的地址，所用晶体规格有明确说明 32.768KHZ 的晶体需要 6pF负载电容，常规的 32.768KHZ 晶体都是 12.5pF。

说明：

建议I2C电压标准为5V时，采用可充电电池；I2C电压标准为3.3V时，可采用固定容量的电池（如CR1632或者CR1220）。

DS1339U-33+在使用纽扣电池进行供电时，假如最大的供电电流是1uA，250mA 的电池能 用多久，250x1000/1=125000小时，按照这样计算电池能用 28 年。