1338实时时钟芯片：特性、设计与应用全解析

一、引言

在电子设备的世界里，实时时钟（RTC）是至关重要的组件，它为设备提供精确的时间和日期信息。今天要介绍的1338实时时钟芯片，具有超低功耗、丰富功能和广泛的应用场景，是电子工程师在设计中值得考虑的选择。

文件下载：1338-31DCGI.pdf

二、1338芯片概述

2.1 芯片特性

• 实时时钟功能：1338是一款串行实时时钟设备，能精确计数秒、分、时、日、日期、月和年，还具备闰年补偿功能，有效期至2100年。
• 非易失性RAM：拥有56字节的电池备份非易失性静态RAM，可用于数据存储。
• 通信接口：采用快速模式 (I^{2}C) 串行接口，方便与其他设备进行通信。
• 电源管理：具备自动电源故障检测和切换电路，当主电源 (V{CC}) 下降时，能自动切换到备份电源 (V{BAT}) ，确保时间和日期的正常运行。
• 可编程方波输出：可根据需求输出四种不同频率的方波（1Hz、4kHz、8kHz、32kHz）。
• 封装形式：提供8引脚MSOP、8引脚SOIC或16引脚SOIC（带集成晶体的表面贴装封装）等多种封装选择。
• 工作温度范围：适用于工业温度范围（-40°C至+85°C）。

2.2 典型应用

1338芯片广泛应用于多个领域，包括电信（路由器、交换机、服务器）、手持设备（GPS、销售点终端）、消费电子（机顶盒、数字录音、网络应用、数码相框）、办公设备（传真机/打印机、复印机）、医疗设备（血糖仪、药物分配器）以及其他设备（恒温器、自动售货机、调制解调器、电表）等。

三、芯片引脚与电路设计

3.1 引脚分配

不同封装形式的1338芯片引脚分配有所不同。以8引脚MSOP/8引脚SOIC和16引脚SOIC为例，各引脚功能如下：	Pin Number	8MSOP, 8SOIC	16SOIC	Pin Name	Pin Description/Function
1	—	X1	连接标准32.768kHz石英晶体，内部振荡器电路设计用于特定负载电容的晶体
2	—	X2	与X1配合，外部32.768kHz振荡器也可驱动芯片，此时X1连接外部振荡器信号，X2悬空
3	14	V BAT	锂硬币电池或其他能源的备份电源输入，电压需在规定范围内
4	15	GND	接地
5	16	SDA	(I^{2}C) 串行接口的数据输入/输出引脚，为开漏输出，需外接上拉电阻
6	1	SCL	串行时钟输入，用于同步数据传输，开漏输出，需外接上拉电阻
7	2	SQW/OUT	方波/输出驱动器，可输出不同频率方波，开漏输出，需外接上拉电阻
8	3	V CC	设备电源供应，在规定电压范围内可通过 (I^{2}C) 进行读写操作
—	4 – 13	NC	无连接，必须接地以确保正常运行

3.2 典型工作电路

芯片的正常运行离不开合理的电路设计，特别是振荡器电路的设计。在选择晶体时，需要考虑推荐负载电容、晶体有效串联电阻（ESR）和频率公差等关键参数。

• 晶体选择
  • 负载电容：有效负载电容 (C{L}) 应与晶体的推荐负载电容匹配，以确保晶体在指定的并联谐振频率下振荡，频率误差为0ppm。计算公式为 (C{L}=C{S}+((C{X1}*C{X2})/(C{X1}+C{X2}))) ，其中 (C{X1}=(C{in1}+C{ex1}+C{t1})) ， (C{X2}=(C{in2}+C{ex2}+C_{t2})) 。
  • ESR：选择ESR较低的晶体，有助于晶体更快启动并稳定到正确的输出频率。
  • 频率公差：32kHz晶体的频率公差通常在+25°C时为±20ppm。
• PCB设计考虑
  • 设备引脚与晶体之间的信号走线应尽量短，以减少寄生电容和串扰、电磁干扰的影响。
  • 数据线和频繁切换的信号线应远离晶体连接，避免干扰振荡器信号。
  • 尽量增大X1和X2信号之间的距离，以降低寄生电容。
  • 振荡回路电流路径应尽量短且对称，负载电容的接地连接应尽量靠近。
  • 可在GND层制作隔离接地岛，将负载电容和振荡器的接地连接到该岛，以减少振荡器电路的辐射和耦合。

四、电源控制与寄存器

4.1 电源控制

芯片通过精确的温度补偿电压参考和比较器电路实现电源控制功能，实时监测 (V{CC}) 电平。当 (V{CC}) 大于 (V{PF}) 时，设备可正常读写；当 (V{CC}) 低于 (V{PF}) 时，内部时钟寄存器被锁定。根据 (V{PF}) 和 (V{BAT}) 的大小关系，电源会在 (V{CC}) 和 (V_{BAT}) 之间自动切换，以保证寄存器数据的完整性。

4.2 RTC和RAM地址映射

RTC寄存器和控制寄存器位于地址00H至07H，RAM寄存器位于地址08H至3FH。在多字节访问时，寄存器指针到达3FH后会回绕到00H。在 (I^{2}C) 启动、停止或寄存器指针递增到00H时，当前时间和日期会传输到第二组寄存器，方便读取，避免因主寄存器更新而重新读取。

4.3 时钟和日历功能

• 时间设置与读取：时间和日期信息通过读取相应的寄存器字节获得，设置或初始化则通过写入相应字节实现。寄存器内容采用BCD格式，寄存器0的第7位为时钟停止（CH）位，设置为1时振荡器禁用，设置为0时振荡器启用。
• 模式选择：芯片支持12小时或24小时模式，小时寄存器的第6位为模式选择位，高电平时选择12小时模式，此时第5位为AM/PM位；24小时模式下，第5位为第二个10小时位。模式改变时，小时寄存器需重新初始化。

  4.4 控制寄存器

  控制寄存器（07H）控制SQW/OUT引脚的操作并提供振荡器状态信息：

• OUT位：控制SQW/OUT引脚在方波输出禁用时的输出电平。
• OSF位：振荡器停止标志，逻辑1表示振荡器停止，可用于判断时钟和日历数据的有效性。该位为边沿触发，只有写入逻辑0才能清除。
• SQWE位：方波使能位，设置为1时启用振荡器输出，输出频率取决于RS0和RS1位。
• RS1和RS0位：速率选择位，控制方波输出的频率，不同组合对应不同的频率。

五、 (I^{2}C) 串行数据总线

5.1 总线协议

1338支持 (I^{2}C) 总线协议，工作在标准模式（最大时钟速率100kHz）和快速模式（最大时钟速率400kHz）。总线由主设备控制，主设备生成串行时钟（SCL）、控制总线访问并生成启动和停止条件，1338作为从设备运行。

5.2 数据传输

• 主设备到从设备传输：主设备先发送从设备地址，接着发送数据字节，从设备在每个接收到的字节后返回确认位。
• 从设备到主设备传输：主设备发送从设备地址，从设备返回确认位，然后从设备发送数据字节，主设备在除最后一个字节外的每个接收到的字节后返回确认位。

  5.3 工作模式

• 从设备接收模式（写模式）：通过SDA和SCL接收串行数据和时钟，接收每个字节后发送确认位，识别启动和停止条件，根据主设备发送的从设备地址和方向位进行地址识别。
• 从设备发送模式（读模式）：与接收模式类似，但方向位指示传输方向相反，从设备通过SDA发送数据，主设备通过SCL输入时钟。

六、芯片的使用注意事项

6.1 处理与布局

• 芯片封装包含石英音叉晶体，使用贴装设备时要避免过度冲击，避免使用超声波清洗设备，防止晶体损坏。
• 避免在封装下方布线，除非在封装和信号线之间放置接地层。所有NC引脚必须接地。
• 湿度敏感封装出厂时采用干燥包装，需遵循包装标签上的处理说明，防止回流过程中损坏。

  6.2 电气特性

  芯片的电气特性包括绝对最大额定值、推荐直流工作条件、直流电气特性和交流电气特性等，在设计和使用过程中需要严格遵循这些参数，以确保芯片的正常运行和可靠性。

七、总结

1338实时时钟芯片以其丰富的功能、低功耗和广泛的应用场景，为电子工程师提供了一个优秀的选择。在设计过程中，需要充分考虑芯片的引脚分配、电路设计、电源控制、寄存器配置以及 (I^{2}C) 总线通信等方面，同时注意芯片的使用注意事项，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用类似芯片时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。