智能電表實時時鐘技術綜述*

楊 慶，杜新綱，董 贊

（1.國家電網公司，北京 100031；2.國家電網公司 營銷部，北京 100031；3.北京南瑞智芯微電子科技有限公司，北京 100192）

0 引言

實時時鐘（Real-Time Clock，RTC）在智能電表中具有重要的作用，其為電能表計費、計時，以及在此基礎上的智能化功能提供了精準的時間保障。通常的實時時鐘芯片需要在電表的市電環境和電池環境下都可以正常可靠地工作，所以其功耗的高低、工作電壓范圍對電表壽命有較大影響；同時在實現智能電表的功能例如遠程抄表、分時電價等方面，需要時鐘有極高的精準度；由于電表的應用環境分布于我國的大江南北，氣候帶跨度較大，在這種環境中需要芯片具有全溫區工作的能力。國網智能電表對于實時時鐘芯片、模塊的需求每年在六千萬以上，產值約為兩億元人民幣。所以對實時時鐘技術的研究具有很高的價值及意義。

1 實時時鐘技術發展現狀

實時時鐘(Real-Time Clock，RTC)技術最早由32.768 kHz晶體振蕩器[1]模塊衍生而來，很多研究致力于對BT-Cut晶體進行溫度補償，以達到高精度的實時時鐘，由于BT-Cut 32.768 kHz晶體具有類拋物線型的溫度曲線，所以很多研究圍繞對晶體溫度曲線的補償展開；由于通常的RC振蕩器以及其他形式的模擬自激發振蕩器在頻率的精度方面都有較大差異，難以將低頻振蕩電路調整到ppm(Point per Million)數量級的頻率精度，因受半導體工藝影響較大，振蕩器本身的工業生產會存在較多問題，同時需要較高的封裝測試成本維持量產良品率，所以CMOS工藝RC振蕩器在高精度RTC設計中一直未被廣泛采用。MEMS振蕩器在近些年開始發展，逐步針對RTC進行設計，但產品的成熟性還有待驗證[2-3]。

智能電表中RTC主要負責提供高精準度的時鐘以及基本的日歷功能，目前RTC時鐘會用于分時計費和遠程集抄系統的計時功能中，其1 Hz需要的精度約為±10 ppm，如果誤差大于此值，對電能的分段計費或超標過程中產生的電量數據將不準確，由此帶來的誤差對用戶或供電單位都可能造成較大的損失，所以智能電表對RTC的精度要求是較高的。

智能電表在不接入電網運行，或在運行中停電時，其正常運行的電能是由電表中的電池提供的，RTC是斷電情況下依然要保證正常工作的部分，所以對其功耗要求亦較為嚴苛。

1.1 基于晶體溫度補償技術的RTC技術

由于晶體自然特性，其具有較高的頻率穩定性，在施加相同外界電壓下，其本征震蕩頻率由晶體的厚度和切割角度相關，其中32 kHz晶體振蕩頻率精度隨溫度變化曲線如圖1所示。

圖1 不同切向晶頻率隨溫度變化曲線

圖1中AT-Cut晶體曲線溫度變化最小，在全溫區（-40℃～+85℃）的變化可以在±50 ppm附近，但是其曲線為三次曲線，且曲線形式通常不單一，部分晶體的溫度曲線會較為接近雙曲曲線，使補償電路算法復雜，不利于批量生產。所以在進行高精度溫度補償RTC設計中，通常不會采用AT-Cut晶體。

通常用于RTC設計的晶體為BT-Cut晶體，其制造與AT-Cut類似，雖然溫度曲線在全溫區有較大變化，但是不同的晶體個體都有相似的拋物線溫度曲線，所以在溫度補償的過程中，可以由簡單的二次表達式獲得溫度曲線。

針對晶體的補償方式通常從兩方面出發：(1)恒定晶體的溫度環境，即使芯片內的晶體處于一個穩定的溫度環境內，通常BT-Cut晶體在25℃±5℃范圍內，通常具有±3 ppm的誤差水平，所以如果通過保持晶體振蕩器中晶體的工作環境溫度穩定，即可以一定程度上保證時鐘輸出的穩定。但是對晶體恒溫的方式通常除了需要功耗較高的溫度傳感器外，還需要較大功耗的溫控部分，這在追求低功耗高精度的時鐘方面有較大的功耗問題。(2)還可針對與芯片封裝在一起的晶體的溫度曲線偏差對晶體振蕩器進行補償[4]，這是目前最常見的晶體振蕩器RTC的制作方法。但是補償的復雜度較高，芯片生產成本偏高，且后期沒有能夠降低成本的方式。

近幾年，晶體外置的技術逐漸出現在市場上，主要特點為芯片產品成本低，晶體與芯片放置在PCB相鄰近的位置，但由于其晶體振蕩器受PCB寄生參數影響較大，所以其產品穩定性較差，振蕩器精度受工作環境影響大，整體模塊可靠性與芯片封裝可靠性相比較低；晶體與芯片內的溫度傳感器距離溫度較遠是這類晶體外置型振蕩器的另一個問題，會造成感知溫度與晶體溫度差距較大，容易存在溫度補償不準確的問題。且其使用方式復雜，同時對晶體的要求較高，使晶體和電表的生產成本上升。

1.2 基于MEMS技術的RTC技術

隨著MEMS振蕩器的技術成熟，MEMS振蕩器在近幾年逐漸廣泛應用[2]，MEMS的特點為利于集成和頻率可調整，容易在單芯片中做成多頻率可調整的振蕩器，且通用性較好。一個典型的MEMS振蕩器結構如圖2所示。

圖2 MEMS 32 kHz振蕩器結構圖

圖2所示是一個可調折疊插指電容結構的MEMS振蕩器，電路部分形成了一個基本的振蕩器。這樣的結構特點為面積小，利于集成在芯片內部，同時由于梳狀振蕩腔體可調節，所以對片上集成電容的依賴程度小，將大大減少芯片的面積，節省RTC芯片成本。

但是MEMS振蕩器的溫度相關性較大，在高低溫度區段分別有較大的頻率誤差，在RTC設計中，對溫度傳感器的要求較高，這樣的設計在生產調試過程中容易出現良品率不高的問題。

同時由于MEMS技術的產品通常是基于硅基半導體工藝獲得，沒有晶體相對對壓力和濕度敏感的特性，所以MEMS工藝的振蕩器特性較為統一，且產品易于與CMOS工藝的補償電路部分共同封裝為RTC芯片產品，對于封裝良品率會有提高，同時生產制造的成本會有一定下降。不過目前由于MEMS工藝本身的成本尚與晶體制造工藝相比有一定的價格劣勢，所以其產品競爭力往往同晶體振蕩器制造的RTC產品相當。

1.3 基于模擬振蕩器技術的RTC技術

上述的RTC實現方式中，都需要外接分立元件形成最基礎的振蕩器模塊，并對振蕩器進行溫度等方面的補償。為了解決外接分立元件對芯片封裝帶來的困難，同時較高精度的溫度傳感器技術同樣阻礙了RTC精度的提升，針對RTC低頻率以及低功耗的基本要求，張弛振蕩器(ROSC)也逐漸被應用到設計智能電表 RTC中來[5-9]，其原理如圖3所示。

圖3 張弛振蕩器原理圖

但是目前張弛振蕩器的震蕩精度無法與晶體振蕩器相媲美，在精度上有數量級的差距，這主要是由于張弛振蕩器電路中比較器的失配和電路延時不同造成的。目前有很多針對張弛振蕩器這個特點的研究，對張弛振蕩器中比較器的補償也是目前技術研究的熱點[9]，在研究中張弛振蕩器的功耗和頻率精度都有較大提高，但是與智能電表對RTC的要求尚有一定距離，還需要通過新的補償機制使頻率穩定性有較大突破。這是目前在傳統微電子工藝下能夠獲得較穩定低頻輸出的最佳手段之一。

2 各類技術性能比較

目前RTC技術中較為成熟的技術為針對晶體振蕩器的溫度補償技術，但是其他技術也各有優劣，表1詳細比較了不同技術所設計的RTC模塊的特點。

表1 不同RTC技術特點對比

3 智能電表RTC技術展望

3.1 MEMS振蕩器

隨著MEMS器件成本的下降，其易于集成和頻率可調的優勢會越來越明顯，隨著工藝的進步，MEMS振蕩器的頻率穩定性會進一步突出，將成為晶體振蕩器的有利挑戰者，同時基于MEMS振蕩器的RTC應用將越來越多。

3.2 具有補償結構的張弛振蕩器

張弛振蕩器作為基本的模擬振蕩器，尚存在受溫度和工藝影響偏大的問題，目前對其RTC應用的精度不高，如果需要達到智能電表的目標精度，還需要對振蕩器精度進行改進,以達到高精度的時鐘輸出。

3.3 脫離RTC模組的其他智能電表授時機制

隨著電表的應用越來越多，其中包括載波模塊在內的通信模塊也將越來越多，通信精度帶來的信號延時誤差將被縮小，將能夠達到足夠高的計時精度，此時通過多次調取授時中心的時間，將能夠滿足電表對高精度時鐘的需求，所以以其他模塊代替RTC也是十分可行的。

4 結論

基于目前智能電表對實時時鐘的基本技術需求，對高精度以及低功耗RTC模塊的要求是較為苛刻的，所以目前主流技術還是會采用晶體振蕩器或MEMS振蕩器設計，這在主流技術中占據了主導地位，從智能電表市場上也得到了相應的反應。相對于晶體振蕩器技術的成熟，MEMS振蕩器有其易于封裝生產的特點，但是其溫度特性相對于晶體振蕩器對電路部分提出了更高的要求，這同時也是一個技術門檻，在將來的RTC設計中，MEMS器件的成本將會進一步下降，同時隨著技術的發展，其應用也將越來越為廣泛。

張弛比較器等純微電子技術的RTC對研究者的誘惑力是非常大的，因為這將拋棄獨立元器件，真正在CMOS工藝中直接設計制造出RTC模塊來，其成本在未來最有優勢。但是目前大多處于對張弛振蕩器實時時鐘技術的研究階段，對于比較器以及外圍電路的補償與RTC電路低功耗的要求背道而馳，如何對電路進行優化并找到合適的技術突破點將是這種方案面臨的最大難題，這將是未來實時時鐘技術的一個重要方向。

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