CN106356987A - 一种rtc时钟电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种RTC时钟电路，包括I2C总线、RTC芯片、主电源和备用电源；备用电源进一步包括超级电容C3、C4，超级电容电压平衡电阻R5、R7，充电限流电阻R4，防反二极管V1，稳压限流电阻R6和稳压管V2；超级电容C3的负极和超级电容C4的正极连接；超级电容电压平衡电阻R5和R7分别与超级电容C3和C4并联；稳压管V2阳极接地，阴极接到稳压限流电阻R6；稳压限流电阻R6与稳压管V2串联后整体与超级电容C4并联；防反二极管V1的阴极接到RTC芯片的VBAT管脚，防反二极管V1的阳极与充电限流电阻R4串联后接到主电源。解决了现有备用电源低温特性差、难以在宽温度范围内长期工作的问题。

Description

一种RTC时钟电路

技术领域

本发明涉及集成电路芯片领域，尤其涉及一种备用电源和RTC时钟电路。

背景技术

实时时钟(RTC)为广泛应用的一种时钟电路，一般为集成电路芯片，用来为系统提供稳定精确的时间。RTC芯片的供电包括主电源和备用电源，在主电源断电或无法使用时，利用备用电源维持芯片内部时钟电路的运行，保证时钟不间断。备用电源一般采用电压为3V的不可充电锂纽扣电池，其体积较小，一般可工作十年以上，在工业领域较普及。但是，在恶劣环境和极端条件下，设备的工作温度范围一般为低温-40℃，高温+60℃，对贮存温度要求高；而纽扣电池的工作温度范围一般只在-10℃到40℃，且纽扣电池在低温下特性差，放电快，长时间的低温工作会令电池寿命急速下降，很难满足恶劣环境和极端条件的使用要求。并且，纽扣电池在大量使用后，随意丢弃也会对环境造成污染。考虑到寿命、环保、环境适应性以及元器件国产化率等因素，工业领域的纽扣电池不适于在恶劣环境和极端条件下应用，需要一种特殊的RTC芯片备用供电方式来解决以上问题。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明目的在于提供一种RTC时钟电路，用以解决现有技术中RTC时钟电路的备用电源低温特性差、难以在宽温度范围内长期工作、污染高的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

提供一种RTC时钟电路，包括：I2C总线、RTC芯片、主电源和备用电源；其中I2C总线连接RTC芯片，RTC芯片连接主电源和备用电源；

所述主电源进一步包括：稳压芯片U1、电容C1和C2；电容C1和C2用于将+5V转为3.3V给RTC芯片供电。

所述备用电源进一步包括：超级电容C3、C4，超级电容电压平衡电阻R5、R7，充电限流电阻R4，防反二极管V1，稳压限流电阻R6和稳压管V2；

其中，超级电容C3的负极和超级电容C4的正极连接；超级电容电压平衡电阻R5和R7分别与超级电容C3和C4并联；稳压管V2阳极接地，阴极接到稳压限流电阻R6；稳压限流电阻R6与稳压管V2串联后整体与超级电容C4并联；防反二极管V1的阴极接到RTC芯片的VBAT管脚，防反二极管V1的阳极与充电限流电阻R4串联后接到主电源。

优选的，所述备用电源中的超级电容C3和C4采用额定电压2.7V的超级电容器，作为储能主元器件。

优选的，防反二极管V1采用单相导通防反二极管；防反二极管V1在超级电容C3和C4由主电源充电时导通，主电源供电断开时截止。

优选的，所述稳压管V2采用低漏电流的稳压管，在电容C4的电压大于+3V时，稳压管V2和稳压限流电阻R6共同将电压箝位在+3V。

优选的，超级电容电压平衡电阻R5和R7阻值相同。

优选的，备用电源中的稳压限流电阻R6和稳压管V2可以替换为至少两个串联的二极管，串联二极管的的阳极接C4的正极，串联二极管的的阴极接地。

所述RTC芯片内部进一步包括主电源和备用电源切换电路，RTC芯片的VCC管脚输入的主电源和VBAT管脚输入的备用电源分别串联一个二极管V3和V4，再通入到RTC芯片内部电路。

在主电源欠压或者中断时，与主电源串联的二极管V3截止，与备用电源串联的二极管V4导通，此时超级电容C3和C4串联在一起通过VBAT管脚给D1内部电路供电；同时，V1截止、V2截止，超级电容C3和C4释放的能量除电阻R5和R7的平衡漏电流之外，都给D1供电。

本发明有益效果如下：

本电路采用两个超级电容这种储能装置，工作温度范围广，且性能不会随温度变化而改变，具有很长寿命，适合在恶劣环境和极端条件下运用到各类电气设备中。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为RTC时钟电路的连接示意图；

图2为RTC时钟电路的电路图。

图3为主电源和备用电源切换电路的示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明的一个具体实施例，公开了一种RTC时钟电路，包括：I2C(Inter-IntegratedCircuit，一种通信总线)总线、RTC芯片、主电源和备用电源。I2C总线、RTC芯片、主电源和备用电源的连接关系如图1，电路示意图如图2。

主电源和备用电源同时连接到RTC芯片，其中主电源连接到VCC管脚，备用电源连接到VBAT管脚，主电源存在时给备用电源充电。I2C总线的数据线(SDA)和时钟线(SCL)连接到RTC芯片的SDA管脚和SCL管脚，以上构成了完整的RTC供电和通信电路。

单片机等集成电路作为I2C总线中的主机，通过I2C总线向作为从机的RTC芯片发送相应的查询或设置指令，RTC芯片收到指令后，再通过I2C总线向主机回复当前时钟信号或者设置确认信号，完成时钟信号的采集和设置。

RTC芯片D1的VCC管脚为主供电管脚，在主电源正常时RTC芯片内部电路由VCC管脚供电，维持时钟电路的正常工作。VBAT管脚为RTC芯片D1内部的备用供电管脚，当主电源异常时为RTC芯片内部时钟电路提供能量。

所述主电源一般为3.3V供电给RTC芯片。在本实施例的RTC时钟电路中使用稳压芯片U1、电容C1和C2将+5V转为3.3V给RTC芯片供电。

所述备用电源包括：超级电容C3、C4，超级电容电压平衡电阻R5、R7，充电限流电阻R4，防反二极管V1，稳压限流电阻R6和稳压管V2。备用电源装置的电路连接结构如附图2所示。超级电容C3的负极和C4的正极连接；超级电容电压平衡电阻R5和R7分别与C3和C4并联；稳压管V2阳极接地，阴极接到电阻R6；稳压限流电阻R6与稳压管V2串联后整体与超级电容C4并联；防反二极管V1的阴极接到RTC芯片的VBAT管脚，防反二极管V1的阳极与充电限流电阻R4串联后接到主电源的+5V端。

其中，备用电源中的超级电容C3和C4为额定电压2.7V的超级电容器，作为储能主元器件，浮充电压不能超过+3.3V。

防反二极管V1为单相导通防反二极管，阴极接到VBAT管脚，阳极与R4串联后接到主电源的+5V端。防反二极管V1在C3和C4充电时导通，主电源的+5V供电断开时截止，防止C3和C4的能量通过V1释放。

充电限流电阻R4为普通电阻，在C3和C4充电时限制充电电流的大小。

稳压管V2采用低漏电流的稳压管，阳极接地，阴极接到电阻R6；在超级电容C4的电压大于+3V时，稳压管V2和稳压限流电阻R6共同将电压箝位在+3V。

稳压限流电阻R6为普通电阻，与V2串联后整体与超级电容C4并联，用来与稳压管V2一起用于限制超级电容C4的电压箝位电流。

超级电容电压平衡电阻R5和R7阻值相同，分别与C3和C4并联，保证C3和C4上的电压基本保持平衡。

所述RTC芯片内部进一步包括主电源和备用电源切换电路，电路如图3所示。VCC管脚输入的主电源和VBAT管脚输入的备用电源分别串联一个二极管V3和V4，再通入到RTC芯片内部电路。

在主电源存在时，+5V电源通过U1转换为+3.3V的电源，通过VCC管脚给D1供电，同时+5V通过限流电阻R4和二极管V1给超级电容器C3和C4充电，使得超级电容储C3和C4存能量。其中，V1可选择低压降肖特基二极管，正向导通压降为0.2V左右。由于超级电容C3和C4的额定电压为2.7V，而电路中充电最大电压不会超过+5V电源，考虑二极管V1压降，在电阻R5和R7的均压作用下单个超级电容电压充满在2.4V左右，不会导致超级电容过压损坏。

在主电源存在时，若出现故障等特殊情况(如C3或R5短路等)，+5V通过R4和V1只给C4充电，当C4电压大于3V时，稳压管V2开通，C4充电停止，R4和R6同时为稳压管V2限流，保证C4上的电压不超过3V，保护超级电容C4不被损坏。

优选地，还可以使用多个二极管串联，采用超过阈值正向导通箝位的形式进行箝位限流。具体的，采用3个正向导通为1V的二极管V3，V4，V5串联，即V3的阳极接C4的正极，V4的阳极接V3的阴极，V5的阳极接V4的阴极，V5的阴极接地。当C4电压大于3V时3个二极管都导通，达到箝位限流的目的。

在主电源欠压(低于备用电源电压)或者中断时，与主电源串联的二极管V3截止，与备用电源串联的二极管V4导通，此时超级电容C3和C4串联在一起通过VBAT管脚给D1内部电路供电，实现时钟电路的不间断运行。同时，V1截止、V2截止，超级电容C3和C4释放的能量除电阻R5和R7的平衡漏电流之外，都用于给D1供电。D1在备用电源供电时，维持时钟电路工作的电流为微安级别，因此，超级电容C3和C4的储能可以在很长一段时间内，维持RTC芯片的时钟电路不间断工作，并且可以反复充放电。

恒电阻负载下超级电容C3和C4的充电电流公式为：

$i=\frac{U}{R}{e}^{-\frac{t}{RC}}$

其中，i为充电电流，U为充电电压，R为充电电阻，t为充电所用时间，R为充电负载电阻，C为储能元件电容值。根据公式，主电源存在时间超级电容充电到95％以上只需要T＝3RC的时间。若C3＝C4＝20F，R＝10R，则充电只需要100s。

备用电源工作时，D1的电流设为1.5μA，电阻漏电流设为1μA，则超级电容放电到D1不能工作的电压(+2.5V)所持续的时间为：

式中，t₀代表超级电容放电时间，I代表放电电流。即充电100s后，RTC备用电源可以使用104.2天，时间与超级电容C3和C4的容量大小有关，可反复充电，因此可以根据实际使用情况调节电路设计，灵活性很高。

综上所述，本发明实施例提供了一种备用电源和RTC时钟电路，采用了两个超级电容这种储能装置，在储能过程不发生化学反应，工作温度范围为-40℃到85℃，且性能不会随温度变化而改变；此外，超级电容可充放电数十万次，功率密度高，绿色环保，工作温度范围宽，具有很长的寿命，非常适合在恶劣环境和极端条件下运用到各类电气设备中。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种RTC时钟电路，包括：I2C总线、RTC芯片、主电源和备用电源；其中I2C总线连接RTC芯片，RTC芯片连接主电源和备用电源；其特征在于，所述备用电源进一步包括：超级电容C3、C4，超级电容电压平衡电阻R5、R7，充电限流电阻R4，防反二极管V1，稳压限流电阻R6和稳压管V2；

所述超级电容C3的负极和超级电容C4的正极连接；超级电容电压平衡电阻R5和R7分别与超级电容C3和C4并联；稳压管V2阳极接地，阴极接到稳压限流电阻R6；稳压限流电阻R6与稳压管V2串联后整体与超级电容C4并联；防反二极管V1的阴极接到RTC芯片的VBAT管脚，防反二极管V1的阳极与充电限流电阻R4串联后接到主电源。

2.根据权利要求1所述的RTC时钟电路，其特征在于，所述主电源进一步包括：稳压芯片U1、电容C1和C2；电容C1和C2用于将+5V转为3.3V给RTC芯片供电。

3.根据权利要求1所述的RTC时钟电路，其特征在于，所述备用电源中的超级电容C3和C4采用额定电压2.7V的超级电容器，作为储能主元器件。

4.根据权利要求1所述的RTC时钟电路，其特征在于，防反二极管V1采用单相导通防反二极管；防反二极管V1在超级电容C3和C4由主电源充电时导通，主电源供电断开时截止。

5.根据权利要求1所述的RTC时钟电路，其特征在于，所述稳压管V2采用低漏电流的稳压管，在电容C4的电压大于+3V时，稳压管V2和稳压限流电阻R6共同将电压箝位在+3V。

6.根据权利要求1所述的RTC时钟电路，其特征在于，超级电容电压平衡电阻R5和R7阻值相同。

7.根据权利要求1所述的RTC时钟电路，其特征在于，备用电源中的稳压限流电阻R6和稳压管V2替换为至少两个串联的二极管，串联二极管的的阳极接C4的正极，串联二极管的的阴极接地。

8.根据权利要求1所述的RTC时钟电路，其特征在于，RTC芯片内部进一步包括主电源和备用电源切换电路，RTC芯片的VCC管脚输入的主电源和VBAT管脚输入的备用电源分别串联一个二极管V3和V4，再通入到RTC芯片内部电路。

9.根据权利要求8所述的RTC时钟电路，其特征在于，在主电源欠压或者中断时，

与主电源串联的二极管V3截止，与备用电源串联的二极管V4导通，此时超级电容C3和C4串联在一起通过VBAT管脚给D1内部电路供电；同时，V1截止、V2截止，超级电容C3和C4释放的能量除电阻R5和R7的平衡漏电流之外，都给D1供电。