深入解析PCF85053A：一款强大的实时时钟芯片

引言

在电子设计领域，实时时钟（RTC）芯片是许多系统中不可或缺的组件，它能为设备提供精确的时间信息。NXP的PCF85053A就是这样一款性能卓越的RTC芯片，具备低功耗、双I²C总线、128字节SRAM和报警功能等特点。本文将深入剖析PCF85053A的各项特性、功能以及应用场景，为电子工程师在设计中更好地使用该芯片提供参考。

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一、PCF85053A概述

PCF85053A是一款CMOS实时时钟和日历芯片，专为低功耗应用而优化，并且在主电源丢失时能自动切换到电池供电。它具有时钟输出、ALRT（中断）输出以及128字节的电池备份SRAM。该芯片包含两条I²C总线，主I²C总线可对RTC和SRAM寄存器进行读写操作，第二条I²C总线在主I²C控制器设置控制位后，也能对大部分寄存器进行读写。此外，它还提供了与时钟输出校准相关的寄存器，如晶体CL（电容负载）配置和偏移寄存器设置。

二、特性与优势

2.1 电源与电压范围

• 供电电压范围为1.7V至3.6V，电池供电电压范围为1.55V至3.6V，这使得它能适应多种电源环境。

  2.2 时间信息与地址

• 基于32.768kHz石英晶体，可提供年、月、日、周、时、分、秒的时间信息。
• RTC的设备地址为1101 111，SRAM的设备地址为1010 111。

  2.3 双I²C总线

• 两条独立的I²C总线，最高速度可达400kHz，I²C时钟超时最长为35ms。主I²C总线可对RTC和SRAM寄存器进行读写，具有低电平有效的ALRT（中断）输出；第二条I²C总线在主I²C的控制下也能对相关寄存器进行读写，且在电池切换期间I²C总线不活动。

  2.4 多种模式支持

• 支持二进制模式和BCD模式，可根据不同需求选择合适的数据编码方式。
• 支持24小时和12小时模式，以及夏令时模式，满足多样化的时间显示和应用需求。

  2.5 中断与标志位

• 支持多种中断标志，如RTC_CLR标志、报警标志、RTC故障标志和振荡器故障标志，方便系统进行异常处理和监控。

  2.6 SRAM与频率调整

• 具有电池备份的128字节SRAM，可通过RTC_CLR引脚将SRAM清零。
• 可通过可编程偏移寄存器进行频率调整，并且振荡器的电容负载可配置为6pF、7pF和12.5pF。

  2.7 工作温度范围

• 工作温度范围为 -40°C至85°C，能适应较为恶劣的工作环境。

三、应用场景

PCF85053A的应用场景十分广泛，包括但不限于以下几个方面：

3.1 服务器与计算机

为服务器和计算机提供精确的时间计时，确保系统时间的准确性。

3.2 网络与工业电子设备

在网络供电和工业电子设备中，保证设备的时间同步和定时任务的执行。

3.3 长时间无人值守设备

适用于需要长时间自动运行且无人值守的产品，如监控设备、数据采集器等。

3.4 白色家电

为白色家电（如冰箱、洗衣机等）提供时间控制功能，实现定时开关、定时运行等功能。

四、订购信息

4.1 型号与封装

PCF85053ATK采用HVSON12塑料热增强超薄小外形封装，有12个引脚，引脚间距为0.5mm，尺寸为3mm x 3mm x 0.85mm。

4.2 订购选项

提供了不同的订购选项，如PCF85053ATKJ，采用13"卷带包装，最小订购数量为6000，工作温度范围为 -40°C至 +85°C。

五、功能详解

5.1 寄存器概述

PCF85053A包含用于时间信息的8位寄存器和与128字节SRAM相关的系统配置寄存器。内置的地址寄存器在每次读写数据字节后会自动递增，访问SRAM时，地址在7Fh后会回绕到00h。

5.2 RTC与SRAM寄存器

5.2.1 RTC寄存器

• RTC的I²C设备地址为1101 111，时间寄存器（00h至09h）与MC146818B寄存器定义对齐，可采用BCD格式或二进制格式编码。其他寄存器（0Ah至11h）包括控制寄存器、状态寄存器、CLKOUT控制寄存器、版本寄存器等。不同寄存器的读写能力受控制位（如TWO、XCLK等）的影响。

  5.2.2 SRAM寄存器

• SRAM的设备地址为1010 111，地址范围从00h至7Fh。SRAM的读写能力由MWO位决定，可通过RTC_CLR引脚将其复位为00h。

  5.3 时间、日历与报警寄存器

  5.3.1 时间与日历信息

• 处理器程序可通过读取相应位置来获取时间和日历信息，这些寄存器（00h至09h）的内容可以是二进制或BCD格式，且每秒更新一次。读写能力由TWO位配置。

  5.3.2 BCD时间格式

• BCD时间格式将每个数字用单独的位字段表示，每个位字段的值范围为0至9，方便进行十进制数的编码和计数。

  5.3.3 时间寄存器的读写

• 在读写时间寄存器时，应一次性完成从秒到年的读写操作，否则可能导致时间数据损坏。

  5.3.4 报警寄存器

• 报警寄存器位于01h（秒报警）、03h（分钟报警）和05h（小时报警）。可通过设置报警时间触发报警中断，也可使用“不关心”状态（C0至FF）来实现不同频率的报警中断，如每小时、每分钟或每秒的报警。

  5.4 控制与状态寄存器

  5.4.1 控制寄存器（0Ah）

• 控制寄存器用于控制RTC的相关功能，包含多个控制位，如ST（停止）、DM（数据模式）、HF（小时格式）、DSM（夏令时模式）、AIE（报警中断使能）、OFIE（振荡器故障中断使能）、CIE（RTC清除中断使能）和TWO（时间寄存器写权限）。
• ST位可用于精确启动时间电路，当ST位为1时，时间电路停止计数，释放ST位后，时间电路开始计数，但重新启动的时间可能存在一定的不确定性。
• DSM位用于启用夏令时模式，在特定日期会自动调整时间。

  5.4.2 状态寄存器（0Bh）

• 状态寄存器描述了报警标志、振荡器故障位、RTC故障位和RTC清除标志的状态。BVL[2:0]位每秒测量并更新一次，用于指示电池电压水平。

  5.5 CLKOUT控制寄存器（0Ch）

• CLKOUT控制寄存器用于配置时钟输出，CKE位用于启用或禁用时钟输出，CKD[1:0]位用于选择时钟输出频率（32.768kHz、1.024kHz、32Hz或1Hz）。

  5.6 第二控制寄存器（0Dh）

• 第二控制寄存器的MWO位用于控制SRAM寄存器的写权限，只有主I²C控制器可以写入该位。在写入该寄存器时，应确保第二条I²C总线没有正在进行的写操作，否则可能导致内部MWO状态同步延迟。

  5.7 偏移寄存器（12h）

• 偏移寄存器可用于实现多种功能，如精度调整、老化补偿和温度补偿。有正常模式和快速模式两种校正模式，由振荡器寄存器中的OFFM位定义。正常模式适用于偏移微调，每4小时触发一次校正；快速模式适用于动态偏移校正，每8分钟触发一次校正，但功耗较高。

  5.8 振荡器寄存器（13h）

• 振荡器寄存器包含多个控制位，如CLKIV（时钟输出反相）、OFFM（偏移校准模式）、LOWJ（低抖动模式）、OSCD[1:0]（石英振荡器驱动控制）和CL[1:0]（石英振荡器负载电容）。这些位可用于调整振荡器的性能和参数。

  5.9 访问寄存器（14h）

• 访问寄存器的XCLK位用于确定CLKOUT控制（0Ch）、偏移（12h）和振荡器（13h）寄存器的读写能力，由主I²C控制器控制。

  5.10 时间戳寄存器（15h至1Bh）

• 时间戳寄存器用于记录RTC时间寄存器写事件的时间，以便进行更精确的时间偏移寄存器设置，但不会记录报警寄存器的写事件。

  5.11 R代码寄存器（1Ch至1Dh）

• R代码寄存器是两个字节的随机数，只读，用于安全应用。在时间戳事件发生后，最多需要200μs生成R代码。

  5.12 电池切换功能

• 当VDD低于1.5V（典型值）时，内部电源输入将切换到电池供电，此时VDD电源域禁用，I²C引脚被忽略，CLK输出禁用并呈高阻态。

  5.13 128字节SRAM

• SRAM可在VDD供电时进行读写操作，在电池供电时内容会被备份，但由于接口禁用无法访问。地址指针在接口初始化时设置，每次访问字节后自动递增，访问到7Fh后会回绕到00h。

  5.14 I²C总线接口

  5.14.1 位传输

• I²C总线用于不同IC或模块之间的双向两线通信，在每个时钟脉冲期间传输一位数据，数据在时钟脉冲的高电平期间必须保持稳定。

  5.14.2 起始与停止条件

• 总线空闲时，数据和时钟线均为高电平。数据线在时钟高电平时由高到低的跳变定义为起始条件，由低到高的跳变定义为停止条件。

  5.14.3 系统配置

• 发送消息的设备为发送器，接收消息的设备为接收器，控制消息的设备为控制器，被控制器控制的设备为目标设备。

  5.14.4 应答机制

• 在起始和停止条件之间传输的数据字节数不受限制，每个8位字节后都有一个应答周期。目标接收器和控制器接收器在接收到每个字节后都必须产生应答信号，通过拉低SDA线来表示。

  5.14.5 I²C总线协议

• 起始条件后，必须向I²C设备发送有效的硬件地址。RTC和SRAM的I²C目标地址不同，R/W位定义了后续数据传输的方向。写协议需要先定义寄存器地址指针，然后传输写数据；读协议需要先通过写序列定义地址指针，然后进行读取操作。

  5.14.6 I²C总线超时

• 如果SCL线被拉低的时间超过tto（25ms至35ms），设备将复位到空闲状态，等待新的起始条件，以避免总线挂起。

六、应用信息

文档提供了有电池和无电池的两种应用电路图，为工程师在实际设计中提供了参考。

七、电气特性

7.1 极限值

• 包括供电电压、电池供电电压、输入电压、输出电压、总功耗、静电放电电压、闩锁电流和存储温度等极限参数，使用时应确保不超过这些极限值，以免损坏设备。

  7.2 静态特性

• 涉及供电电压、电池供电电压、供电电流、阈值电压、输入电压、输出电压、输出电流等静态参数，这些参数在不同条件下有不同的取值范围。

  7.3 动态特性

• 主要是I²C总线接口的动态特性，如SCL时钟频率、SCL时钟的高低电平时间、数据设置和保持时间、总线空闲时间等，这些参数对于保证I²C通信的稳定性和可靠性至关重要。

八、封装与焊接

8.1 封装信息

• 采用HVSON12（SOT2143 - 1）封装，文档提供了封装的机械尺寸图和相关说明。

  8.2 焊接脚印

• 给出了HVSON12封装的回流焊接PCB脚印信息，包括推荐的焊盘、阻焊层开口图案和钢网厚度等，但这些信息仅作为参考，最终的PCB设计和焊接工艺还需要用户根据实际情况进行优化。

九、总结

PCF85053A是一款功能强大、性能稳定的实时时钟芯片，具有低功耗、双I²C总线、128字节SRAM和报警功能等诸多优点。它的多种特性和功能使其适用于各种不同的应用场景，为电子工程师在设计中提供了更多的选择和便利。在使用PCF85053A时，工程师需要深入了解其各项特性、寄存器功能和电气参数，合理配置寄存器，确保I²C总线通信的稳定性，同时注意封装和焊接工艺，以充分发挥该芯片的性能。希望本文能为电子工程师在使用PCF85053A时提供有价值的参考。你在实际应用中有没有遇到过类似芯片的使用问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。