业界转向MEMS以获得精确的实时时钟

星星科技指导员 2023-01-09 1337

描述

实时时钟（RTC）不断发展，通过变得更小、更准确来跟上其使用和应用的变化。这种演变和适应背后的主要驱动力是一种新的谐振器技术——微机电系统（MEMS）。本应用笔记探讨了计时精度的进步，并探讨了更精确的实时时钟的趋势、概念和特性。

介绍

许多人认为，没有比更精确的计时更好的方法来改善工业控制和自动化了。问题和好处不仅仅在于一天中的时间信息。高度精确的计时将在许多方面增强复杂的控制系统，从任务和维护的简单调度开始。更重要的是，使用实时时钟（RTC）进行精确计时使工业系统能够更加自主地运行，有助于确保系统满足运营目标，专注于预定结果，从而最大限度地降低成本。当然，RTC 必须以尽可能高的精度提供所有这些信息。

准确的时间安排 — 需求是永恒的

无论当今的应用程序多么复杂，良好的老式时序仍然非常重要。在某些情况下，时机甚至至关重要。这就是为什么我们看到对更精确的RTC的稳定需求。计时准确性可以直接影响金融活动，提供可能影响法律或刑事案件的时间取证，影响无数行业和应用程序的记录保存，或者只是提高服务质量。

为什么准确性如此重要？最重要的答案并不总是显而易见的。高精度RTC将允许系统设计人员实现半自主系统控制，而无需所有相关系统资源与时间联网。想象一下照明控制系统，在整个繁忙的工业园区中，需要在一天中的特定时间打开或关闭灯光。使用可编程 RTC 进行精确计时是一种简单的解决方案，因为这些时钟消除了将每个照明设备连接到单个网络定时资源的需要。RTC 简化了整个建筑物中布线网络资源的复杂性;它们可以取代复杂的无线网络，这些网络通常需要初始定制以确保正常运行和连接，然后需要长期维护以实现持续运行。

虽然对精确时序的需求实际上很简单，但满足这些要求的设计挑战却并非如此。现在，最好的RTC通常提供高精度解决方案（<0.5s/天），可在-40°C至+85°C的宽工作温度范围、低功耗、高性价比的价格和小型封装下工作。如今，微机电系统（MEMS）技术实现了最小、最精确、最坚固的时钟。

高精度 RTC 的演变

业界首款32.768kHz温度补偿晶体振荡器（TCXO）于1999年问世，在-20°C至+70°C范围内提供每年±2分钟的计时精度。到2005年，通过创新的封装技术和改进的温度传感器功能相结合，一个极其精确的温度传感器。2推出C集成RTC/TCXO/晶体DS3231S。DS3231S被认为是当时业界最精确的RTC，将32kHz音叉晶体集成到高度可靠的16引脚、300 mil SO封装中。这种高度集成的RTC在-40°C至+85°C的温度范围内提供低于±3.5ppm的频率精度，相当于小于±0.3ss/天。它为时钟精度设定了新标准。

就在四年前，只有两家公司提供精度为0.5秒/天的RTC，>。应用要求更小的封装、更低的成本、更高的精度标准和更大的耐用性。该设计工作的高潮是基于MEMS技术的新一代RTC。DS3231M于2010年推出，集成了TCXO和MEMS谐振器，精度为±5ppm。这改变了评估准确计时的整个构成。

除了准确性问题之外，当今的 RTC 还包括独立的时间闹钟;用户可配置内存，用于存储系统信息;精确的温度传感，以提供有关热环境条件的建议;为关键系统事件加盖时间戳的能力;和简单的时间信息。至少有六家公司制造精确的RTC。潜在的任何工业控制或自动化操作都可以使用某种形式的精确计时。

MEMS的演进

MEMS挑战了基于晶体设计的传统局限性。由于其尺寸，与圆柱形晶体相比，MEMS技术可以节省大量空间。单个MEMS谐振器的面积比圆柱形晶体少47倍，体积小182倍。因此，RTC 的近似面积下降了一半以上。由于从标准圆柱形晶体过渡到小型陶瓷32.768kHz晶体，以及Maxim MEMS谐振器的极小尺寸，尺寸的大幅减小成为可能。

MEMS谐振器的老化可以忽略不计（寿命<1ppm）。基于晶体的时钟具有每年±1ppm的典型老化特性。MEMS谐振器的冲击和振动特性明显更加稳健。MEMS谐振器在机械冲击（高达2900g;6轴×5次冲击，JESD22-B104C条件H）和振动（可变频率为20g;20/2000Hz，JESD22-B103B条件1）下具有可证明的性能。这种坚固的性能没有大于±1ppm的可辨别频率扰动。最后，基于MEMS的RTC的总精度为寿命精度和稳定性< ±5ppm。

时钟的未来是MEMS

从长远来看，时钟将需要进一步减小尺寸和成本，并提高精度。MEMS技术将为工业、汽车、智能电网和医疗市场的更大细分市场的RTC实现这些改进。

审核编辑：郭婷

打开APP阅读更多精彩内容