愛普生 32.768kHz 石英元件應用 於 ABLIC S-35390A RTC IC 振盪 電路設計經驗分享
Epson 32.768kHz Tuning Fork Crystal on ABLIC S-35390A RTC IC
文: 王建斌，服務於
台灣愛普生科技股份有限公司 電子零件事業部
目錄
前言........................................................3
硬體電路................................................3
時間校正功能相關暫存器介紹........... 5
時間校正功能說明............................... 5
如何校正............................................... 5
如何確認時間校正結果....................... 7
結論....................................................... 8
前言........................................................3
硬體電路................................................3
時間校正功能相關暫存器介紹........... 5
時間校正功能說明............................... 5
如何校正............................................... 5
如何確認時間校正結果....................... 7
結論....................................................... 8
前言
32.768kHz 石英元件在電子電路中是不可或缺的一種時脈元件之一，特別是提 供該時脈頻率信號給各類 IC，因為經 IC 內建除頻器除 15 次後，便可將該頻率 整除到 1Hz(=1 秒)，簡單說，只要跟時間計時功能有關的時脈，大多會使用到 32.768kHz 石英元件。不論是 MCU 內建 RTC 功能的計時功能或是低耗電參考 用工作時脈，或者是需要外掛石英元件的即時時鐘 IC，都會用上它。 今天台灣愛普生將以全世界 32.768kHz 石英元件專業領導供應商角度，來介紹 常被系統設計者選用 RTC IC 專業供應商 ABLIC 旗下 S-35390A 即時時鐘為 例，當 32.768kHz 最大宗物料 CLoad 12.5pF 規格石英元件匹配使用時，如何做 到可以滿足振盪電路所需振盪裕度的負性阻抗，並達到計時器時間準度校正， 與該時間校正機制確認是否正常等方法。
ABLIC 製 S-35390A 相關產品應用規格書參考
硬體電路
一般常見石英元件的設計電路會有兩顆匹配電容(Cg 與 Cd)對地，在選定石 英元件的負載電容(CL)後，就必須要靠這兩顆匹配電容來調整整個振盪電路的 負性阻抗(|-R|)、驅動功率(Drive Level)與頻偏(Frequency Offset)，請參考下圖一:
ABLIC S-35390A 的設計電路稍微不同於一般的常見設計，原因是 S-35390A將其中一顆 8pF(Typ.)的匹配電容 Cd 已內建在其 RTC IC 內部，外部電路僅需保留匹配電容 Cg(電路設計者可以省掉其中一顆 MLCC)，請參考下圖二:
ABLIC 建議晶振的負載電容 CL 為 6pF，但以我們晶振廠商的角度 CL 6pF 或是7pF 並不是大宗物資，在沒有缺貨的時期下可以很正常的選料備貨，如果遇上 貨況不好缺貨的情況，在採購上會遇到很大的阻礙，改選用大宗物資 CL 12.5pF 的晶振才有較多的機會有即時的救援缺料狀況。
我們以 Epson FC-135 (3.2x1.5mm, ESR=70kΩ max.)石英元件為例，當 FC-135 產品物料由 CL 7.0pF 換成 12.5pF 時，在參考特定振盪電路條件下，理論等效值 頻率偏移值約莫快+70.5ppm，ABLIC 在 IC 內部設計了計時器時間校正功能， 在滿足振盪電路五倍負性阻抗與驅動功率的前提下，即使頻率偏快或偏慢，都 能夠將計時器誤差在能力程度內調整回來，下表一為同樣使用 S-35390A 配上 CL 7pF 與 12.5pF 的迴路分析實際數據比較，可以看到這兩種 CL 的頻偏差距大 約就是+70.5ppm 左右。
我們以 Epson FC-135 (3.2x1.5mm, ESR=70kΩ max.)石英元件為例，當 FC-135 產品物料由 CL 7.0pF 換成 12.5pF 時，在參考特定振盪電路條件下，理論等效值 頻率偏移值約莫快+70.5ppm，ABLIC 在 IC 內部設計了計時器時間校正功能， 在滿足振盪電路五倍負性阻抗與驅動功率的前提下，即使頻率偏快或偏慢，都 能夠將計時器誤差在能力程度內調整回來，下表一為同樣使用 S-35390A 配上 CL 7pF 與 12.5pF 的迴路分析實際數據比較，可以看到這兩種 CL 的頻偏差距大 約就是+70.5ppm 左右。
表一 (Epson FC-135 CLoad 7.0pF 和 CLoad 12.5pF 零件在同振盪電路下頻率偏差 當 BC=12pF @ Gate 端，振盪電路之負性阻抗皆可以滿足 max. ESR 五倍以上)
計時器時間校正功能相關暫存器介紹
計時器時間校正(“Clock correction”)功能說明
ABLIC S-35390A 時間校正功能不是去調整石英元件的實際震盪電路頻率，而 是調整時脈的方式做到計時器時間校正，所以它調整的是計時器中時間的「時 域」，而非實際振盪電路中的「頻域」。
其暫存器 B0 有兩種校正規格可以選擇，B0 = 0 為每 20 秒執行校正一次，校正 最小單位為 3.052 ppm，可校正範圍從-195.3 ppm 至 + 192.2 ppm。B0 = 1 為每 60 秒執行校正一次，校正最小單位為 1.017 ppm，可校正範圍從-65.1 ppm 至 + 64.1 ppm，請參考下圖三:
其暫存器 B0 有兩種校正規格可以選擇，B0 = 0 為每 20 秒執行校正一次，校正 最小單位為 3.052 ppm，可校正範圍從-195.3 ppm 至 + 192.2 ppm。B0 = 1 為每 60 秒執行校正一次，校正最小單位為 1.017 ppm，可校正範圍從-65.1 ppm 至 + 64.1 ppm，請參考下圖三:
如何設定校正?
前面有提到 S-35390A 的校正是採用調整時脈的方式來做到校正時間，如何知 道 IC 內校正的時間偏差多少，就必須要量測/INT1 腳位輸出的 1Hz 來看誤差多少。 如果當前振盪頻率>目標頻率(時間偏快時)，校正的公式請參考下列公式一:
如果當前振盪頻率<目標頻率(時間偏慢時)，校正的公式請參考下列公式二:
範例一:
我以 Epson FC-135 CLoad 7pF 更換成 CLoad 12.5pF 零件，約+70ppm 偏移量為說明例
當前頻率(Current oscillation frequency actual measurement value) = 1.000070 Hz 目標頻率(Target oscillation frequency) = 1.000000 Hz
暫存器 B0 = 0 (校正最小單位為 3.052 ppm) 現在時間偏快所以使用公式一
我以 Epson FC-135 CLoad 7pF 更換成 CLoad 12.5pF 零件，約+70ppm 偏移量為說明例
當前頻率(Current oscillation frequency actual measurement value) = 1.000070 Hz 目標頻率(Target oscillation frequency) = 1.000000 Hz
暫存器 B0 = 0 (校正最小單位為 3.052 ppm) 現在時間偏快所以使用公式一
得到二進制值後需要將 LSB 與 MSB 反轉後填入暫存器[B7:B1]，也就是填入 Clock correction 暫存器中的值(B7, B6, B5, B4, B3, B2, B1, B0) = 01010110b
如何確認時間校正結果
當時間校正功能被使用時是無法透過量測 32.768kHz 的石英晶振來確認校正結 果是否正常，所以就必須量測先前提到的/INT 腳位所輸出的 1Hz，在第 20 次 或是第 60 次執行校正時脈一次，請參考下圖四:
確認校正是否正確同樣得透過/INT1 腳位量測 1Hz，並根據測量計算平均頻率
確認校正結果，請參考下列公式:
確認校正結果，請參考下列公式:
a: 實際量測到未校正的頻率
b: 時寄第 20 或 60 次校正後的頻率
b: 時寄第 20 或 60 次校正後的頻率
範例二: 參考範例一的數據來驗證推算校正結果，實際校正結果須以儀器
counter 和試波器量測為主要驗證。
a = 1.000070Hz (實際上未校正的頻率)
b = 0.998670Hz(推算第 20 次校正的頻率)
counter 和試波器量測為主要驗證。
a = 1.000070Hz (實際上未校正的頻率)
b = 0.998670Hz(推算第 20 次校正的頻率)
最理想的狀態是校正後的平均頻率為 1Hz，也便是每 20 秒鐘的時脈輸出平均時間值為 1 秒鐘，我們可以透過這公式與量測數據驗證填入的校正數 值，再觀察/INT1 該腳位輸出信號在試波器上量測是否正確。
結論
32.768kHz 石英晶振與各種類型使用 RTC 功能的 IC 息息相關，各廠商設計 IC 時也考量了不同晶振規格的使用彈性，例如省電型的 IC 大多都會建議低 CL 的 晶振。校正時間方法也多有不同，這篇文章的例子 ABLIC S-35390A，輸入的 32.768kHz 頻率源是可以來自並不未被推薦 CLoad 12.5pF 零件，因為 S-35390A RTC IC 有內建計時校正機制，來調整內部時鐘每 60 秒或是每 20 秒中的第 60 個或是第 20 個的 1Hz 時脈時間長度來達成每一分鐘的計時器時間準度。
總結來說，IC 廠商有限定 32.768kHz 晶振規格的話並非無解，以 32.768kHz CLoad 12.5pF 在業界大宗物資的方向來選擇石英元件時，在供貨彈性與購買價 格上會有較多優勢，而愛普生 FC-135 CL 12.5pF 32.768kHz 最大量物料產品和規 格，將會是一種最佳有彈性的好選擇，特別是物料供貨嚴重短缺的期間。
不光是 ABLIC S-35390A RTC IC 有內建本功能，其它 RTC IC 供應商旗下產品 線也有設計保留類似概念的產品功能設計，讓電路設計者和零件供應商間，取 得大宗物料設計選擇最大彈性。
文: 王建斌，服務於台灣愛普生科技股份有限公司，電子零件事業部。