CN110380724A - Rtc时钟频率温度补偿芯片 - Google Patents

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李振国
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    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION, OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L1/00Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply
    • H03L1/02Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only
    • H03L1/022Stabilisation of generator output against variations of physical values, e.g. power supply against variations of temperature only by indirect stabilisation, i.e. by generating an electrical correction signal which is a function of the temperature

Abstract

本发明公开了一种RTC时钟频率温度补偿芯片,用于对晶体振荡器由于温度变化所引起的频率漂移进行补偿,RTC时钟频率温度补偿芯片包括:温度传感器、随机存储器、RTC电路。温度传感器用于检测环境温度,生成温度信号;随机存储器与温度传感器相连,其用于存储修调数据表,该修调数据表中存储了多个温度信号下所对应的频率校正值,随机存储器还用于根据温度传感器的温度信号索引出相应的频率校正值;RTC电路与晶体振荡器以及随机存储器均相连,用于根据随机存储器输出的频率校正值对晶体振荡器的频率进行校正。该RTC时钟频率温度补偿芯片能够降低对晶体振荡器的选型要求,以及降低片上的温度传感器的测温误差精度要求。

Description

RTC时钟频率温度补偿芯片
技术领域
本发明是关于芯片设计领域,特别是关于一种RTC时钟频率温度补偿芯片。
背景技术
实时时钟RTC(Real-time Clock简称RTC)广泛应用到集成电路产品中,用来为芯片进行计时的操作。在智能表计中,如电表、水表、燃气表等,对RTC的计时精度有严苛的要求,要求日计时误差小于0.5s,用来进行用户实时用电、用水、用气等的结果分析。实时时钟一般采用32.768KHz的晶体振荡器来提供基准时钟,通过计数器来产生秒、分钟、时、日、月、年等实时时间信息,然而32.768KHz晶体振荡器的振荡频率会受到温度的变化而漂移,在-40~85℃的温度变化下,频率漂移使得日计时误差难以满足小于0.5s的精度要求,因此必须要对RTC的晶体振荡器计时时钟进行温度补偿。
目前常用的温度补偿办法是在芯片上集成一个温度传感器,并将RTC晶体振荡器的频偏-温度曲线函数写入到芯片中,芯片在RTC工作时,定时开启温度传感器,检测晶体振荡器的温度,并根据频偏-温度曲线计算出对应温度下的频率偏差,然后通过校正电路将该频率偏移误差校正回来。校正电路一般有数字校正和电容校正两种形式,数字校正直接校正计数器的技术脉冲个数,电容校正通过改变晶体振荡器的负载电容来微调谐振频率,从而实现校正。但是该温度补偿方法面临着晶体振荡器频偏-温度曲线一致性的问题和温度传感器的精度问题的影响。
发明人在实现本发明的过程中发现,芯片只能存储一条频偏-温度函数曲线,这就要求晶体振荡器具有高度的温漂一致性,如果个体差异大的话,校正会失效,因此只能选择比较贵的更高精度的晶体振荡器来达到一致性的要求;另外,对片上温度传感器的测温精度同样有较高的要求,特别是在低温段和高温段,典型的晶体振荡器的温漂曲线,要求温度传感器至少有1℃的测温精度,对温度传感器提出了很高的要求,一般采用ADC来测量PTAT(与绝对温度成正比)电压的方式来设计温度传感器,具有电路复杂,功耗大,面积大,校正成本高等缺点。
因此上述温度补偿方法减小了晶体振荡器的器件选择范围,增加了器件成本;并且采用的温度传感器电路复杂度高、功耗大,经济的片上温度传感器方案难以使用。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解,而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种RTC时钟频率温度补偿芯片,其能够降低对晶体振荡器的选型要求,以及降低片上的温度传感器的测温误差精度要求。
为实现上述目的,本发明提供了一种RTC时钟频率温度补偿芯片,其与晶体振荡器相连,用于对晶体振荡器由于温度变化所引起的频率漂移进行补偿,所述RTC时钟频率温度补偿芯片包括:温度传感器、随机存储器、RTC电路。温度传感器用于检测环境温度,生成温度信号;随机存储器与所述温度传感器相连,其用于存储修调数据表,该修调数据表中存储了多个温度信号下所对应的频率校正值,所述随机存储器还用于根据所述温度传感器的温度信号索引出相应的频率校正值;RTC电路,与所述晶体振荡器以及所述随机存储器均相连,用于根据所述随机存储器输出的频率校正值对所述晶体振荡器的频率进行校正。
在本发明的一实施方式中,所述温度信号直接指向所述随机存储器的物理地址。
在本发明的一实施方式中,所述RTC时钟频率温度补偿芯片还包括:控制器和片上非易失性存储器。控制器用于生成所述修调数据表;片上非易失性存储器与所述控制器相连,用于存储所述修调数据表。
在本发明的一实施方式中,所述温度传感器、所述随机存储器以及所述RTC电路均工作在第一电源域下,所述控制器以及所述片上非易失性存储器均工作在第二电源域下,其中,所述第一电源域和所述第二电源域是互相独立的。
在本发明的一实施方式中,所述修调数据表在芯片量产阶段生成,生成过程包括:在芯片测试阶段,将修调数据表生成指令烧录在晶圆级或封装级的所述RTC时钟频率温度补偿芯片的所述控制器中;将所述RTC时钟频率温度补偿芯片和所述晶体振荡器放入到量产板中,保持电气连接,并将所述量产板放入变温设备中;在所述变温设备从第一温度设定值线性变化到第二温度设定值的过程中,所述控制器执行所述修调数据表生成指令并按照所述变温设备的变温速度配置定时时间,在每个定时时间内记录当前所述温度传感器输出的温度信号,并比较当前所述晶体振荡器与外部输入基准参考时钟的频率偏差,根据该频率偏差设置所述RTC电路的初始的校正值,并按照该初始的校正值对所述晶体振荡器进行频率校正,再次比较校正后的所述晶体振荡器与所述外部输入基准参考时钟的频率偏差,若校正后的所述频率偏差超过偏差预设值,则对该校正值进行微调,按照微调后的校正值再次对所述晶体振荡器进行频率校正,再次比较校正后的所述晶体振荡器与所述外部输入基准参考时钟的频率偏差,若所述频率偏差仍然超过所述偏差预设值,则继续进行校正值的微调操作,直至所述频率偏差不超过所述偏差预设值,将最终的校正值作为当前定时时间内所记录的温度信号所对应的频率校正值写入所述随机存储器和所述片上非易失性存储器中的所述修调数据表中。
在本发明的一实施方式中,所述第一温度设定值低于所述RTC时钟频率温度补偿芯片的工作温度范围的最低温度值,所述第二温度设定值高于所述RTC时钟频率温度补偿芯片的工作温度范围的最高温度值。
在本发明的一实施方式中,若在所述变温设备到达所述第二温度设定值后,所述修调数据表没有被写满,则将所述修调数据表中已写入频率校正值的最低地址位所对应的频率校正值填充至所述修调数据表中没写入频率校正值的所有低地址的位置,同时将所述修调数据表中已写入频率校正值的最高地址位所对应的频率校正值填充至所述修调数据表中没写入频率校正值的所有高地址的位置。
在本发明的一实施方式中,所述RTC时钟频率温度补偿芯片与所述晶体振荡器是分立设置的。
在本发明的一实施方式中,所述RTC时钟频率温度补偿芯片与所述晶体振荡器是合封设置的。
与现有技术相比,根据本发明的RTC时钟频率温度补偿芯片,降低了对晶体的频率漂移曲线一致性和温度传感器高测温精度的需求,每一颗芯片都具有和其自身温度传感器的实际值对应的校正参数,芯片不需要存储晶体的频率漂移-温度曲线,降低了对晶体振荡器的选型要求,并且放松了片上的温度传感器的测温误差精度要求,因此可以采用更经济的温度传感器实现方法,降低了芯片的功耗和面积,同时保证了良率。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的RTC时钟频率温度补偿芯片的结构示意图;
图2是根据本发明一实施方式的RTC时钟频率温度补偿芯片的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的具体实施方式进行详细描述,但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示,否则在整个说明书和权利要求书中,术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分,而并未排除其它元件或其它组成部分。
为了解决现有的温度补偿方法因为需保证晶体振荡器频偏-温度曲线高度一致性以及较高的测温精度而所需的硬件成本高、电路复杂且功耗大的问题,本发明提供了一种RTC时钟频率温度补偿芯片,其与晶体振荡器相连,用于对晶体振荡器由于温度变化所引起的频率漂移进行补偿,该温度补偿方法降低了对晶体的频率漂移曲线一致性和温度传感器高测温精度的要求,使得每一颗芯片都具有和其自身温度传感器的实际值对应的校正参数,芯片不需要存储晶体的频率漂移-温度曲线,降低了对晶体振荡器的选型要求,并且放松了片上的温度传感器的测温误差精度要求,因此可以采用更经济的温度传感器实现方法,降低了芯片的功耗和面积,同时保证了良率。
如图1所示,在本发明一实施方式中,RTC时钟频率温度补偿芯片100包括:温度传感器10、随机存储器11、RTC电路12。该RTC时钟频率温度补偿芯片100与晶体振荡器200相连。RTC时钟频率温度补偿芯片100与晶体振荡器200分立设置或合封设置。
温度传感器10用于检测环境温度,生成温度信号。
随机存储器11与温度传感器10相连,其用于存储修调数据表,该修调数据表中存储了多个温度信号下所对应的频率校正值,随机存储器11还用于根据温度传感器10的温度信号索引出相应的频率校正值。在一实施方式中,温度信号直接代表随机存储器11的物理地址,减少了随机存储器11中温度译码电路和数据总线搬移电路,降低了芯片电路复杂度,降低了功耗。在一实施方式中,也可以将随机存储器11替换为只读存储器。
RTC电路12与晶体振荡器200以及随机存储器11均相连,用于根据随机存储器11输出的频率校正值对晶体振荡器200的频率进行校正。
在一实施方式中,如图2所示,RTC时钟频率温度补偿芯片100还包括:控制器13和片上非易失性存储器14。控制器13用于生成修调数据表。片上非易失性存储器14与控制器13相连,用于存储修调数据表。温度传感器10、随机存储器11以及RTC电路12均工作在第一电源域下,控制器13以及片上非易失性存储器14均工作在第二电源域下。第一电源域和第二电源域是独立的。在RTC时钟频率温度补偿芯片100第一次上电时,将存储在片上非易失性存储器14中的所有修调数据表全部载入到随机存储器11中,此后的RTC的频率校正工作不再需要控制器13和片上非易失性存储器14的参与,可以进一步降低芯片的功耗。
具体地,上述修调数据表在芯片量产阶段生成,生成过程包括:在芯片测试阶段,将修调数据表生成指令烧录在晶圆级或封装级的RTC时钟频率温度补偿芯片100的控制器13中;将RTC时钟频率温度补偿芯片100和晶体振荡器200放入到量产板中,保持电气连接,并将量产板放入变温设备中;在变温设备从第一温度设定值线性变化到第二温度设定值的过程中,控制器13执行修调数据表生成指令并按照变温设备的变温速度配置定时时间,在每个定时时间内记录当前温度传感器10输出的温度信号,并比较当前晶体振荡器200与外部输入基准参考时钟的频率偏差,根据该频率偏差设置RTC电路12的初始的校正值,并按照该初始的校正值对晶体振荡器200进行频率校正,再次比较校正后的晶体振荡器200与外部输入基准参考时钟的频率偏差,若校正后的频率偏差超过偏差预设值,则对该校正值进行微调,按照微调后的校正值再次对晶体振荡器200进行频率校正,再次比较校正后的晶体振荡器200与外部输入基准参考时钟的频率偏差,若频率偏差仍然超过偏差预设值,则继续进行校正值的微调操作,直至频率偏差不超过偏差预设值,将最终的校正值作为当前定时时间内所记录的温度信号所对应的频率校正值写入随机存储器11和片上非易失性存储器14中的修调数据表中。具体地,为了实现全温工作范围内的补偿,第一温度设定值设为低于RTC时钟频率温度补偿芯片100的工作温度范围的最低温度值,第二温度设定值设为高于RTC时钟频率温度补偿芯片100的工作温度范围的最高温度值。
在上述生成修调数据表的操作中,为了提高生产效率,每块量产板中可以放置多颗芯片,并且每台变温设备中可以放置多片量产板,一次可以并行校正多颗芯片,提高生产效率。并且在生成修调数据表的过程中,每颗芯片独立进行自身修调数据表的生成,使得每颗芯片生成的校正值完全符合自身的特性,校正值与自身温度传感器的测量值相对应,与实际环境温度的测量准确度无关,例如,在进行频率校正时,如果环境温度为45℃,片上温度传感器的量测温度为40℃,即拥有5℃的误差,但是该误差并不会带来频率校正的误差,因为此时片上温度传感器40℃对应的校正值,实际上就是环境温度45℃下的校正值,从而不存在因温度测量不准确而导致的校正误差。因此通过该实施方式的实施和校正方法,每颗芯片都具有独立的温度标的和对应的校准标的,放宽了对温度传感器的要求。如果采用现有的温度补偿方法,在80℃下,如果要求晶体的振荡频率偏差小于1天0.5秒,则温度传感器的误差要求为+-1℃,要求极为苛刻。
在一优选的实施方式中,在变温设备到达第二温度设定值后,修调数据表没有被写满,则将修调数据表中已写入频率校正值的最低地址位所对应的频率校正值填充至修调数据表中没写入频率校正值的所有低地址的位置,同时将修调数据表中已写入频率校正值的最高地址位所对应的频率校正值填充至修调数据表中没写入频率校正值的所有高地址的位置,进一步提高频率补偿的准确性。
综上,采用本实施方式提供的RTC时钟频率温度补偿芯片,通过每个芯片自身的修调数据表,使得每一颗芯片都具有和其自身温度传感器的实际测量值对应的校正值,RTC时钟频率温度补偿芯片不需要存储晶体振荡器的频率漂移-温度曲线,降低了对晶体振荡器的选型要求,并且放松了片上的温度传感器的测温误差精度要求,温度传感器可以具有更低的温度测量精度,从而可以采用温度-时间转换类型的温度传感器技术,或者可以降低ADC的位宽,从而简化了温度传感器的需求,节省了芯片的面积,也较高精度ADC的方案节省了功耗。本实施方式特别适用于晶体振荡器和RTC时钟频率温度补偿芯片合封的产品形式的场合,晶体振荡器和RTC时钟频率温度补偿芯片的匹配性更好,也可以拓展应用到晶体振荡器和RTC时钟频率温度补偿芯片采用分立器件的场合。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式,并且很显然,根据上述教导,可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用,从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (9)

1.一种RTC时钟频率温度补偿芯片,其与晶体振荡器相连,用于对晶体振荡器由于温度变化所引起的频率漂移进行补偿,其特征在于,所述RTC时钟频率温度补偿芯片包括:
温度传感器,用于检测环境温度,生成温度信号;
随机存储器,与所述温度传感器相连,其用于存储修调数据表,该修调数据表中存储了多个温度信号下所对应的频率校正值,所述随机存储器还用于根据所述温度传感器的温度信号索引出相应的频率校正值;以及
RTC电路,与所述晶体振荡器以及所述随机存储器均相连,用于根据所述随机存储器输出的频率校正值对所述晶体振荡器的频率进行校正。
2.如权利要求1所述的RTC时钟频率温度补偿芯片,其特征在于,所述温度信号直接指向所述随机存储器的物理地址。
3.如权利要求2所述的RTC时钟频率温度补偿芯片,其特征在于,所述RTC时钟频率温度补偿芯片还包括:
控制器,用于生成所述修调数据表;以及
片上非易失性存储器,与所述控制器相连,用于存储所述修调数据表。
4.如权利要求3所述的RTC时钟频率温度补偿芯片,其特征在于,所述温度传感器、所述随机存储器以及所述RTC电路均工作在第一电源域下,所述控制器以及所述片上非易失性存储器均工作在第二电源域下,其中,所述第一电源域和所述第二电源域是互相独立的。
5.如权利要求3所述的RTC时钟频率温度补偿芯片,其特征在于,所述修调数据表在芯片量产阶段生成,生成过程包括:
在芯片测试阶段,将修调数据表生成指令烧录在晶圆级或封装级的所述RTC时钟频率温度补偿芯片的所述控制器中;
将所述RTC时钟频率温度补偿芯片和所述晶体振荡器放入到量产板中,保持电气连接,并将所述量产板放入变温设备中;
在所述变温设备从第一温度设定值线性变化到第二温度设定值的过程中,所述控制器执行所述修调数据表生成指令并按照所述变温设备的变温速度配置定时时间,在每个定时时间内记录当前所述温度传感器输出的温度信号,并比较当前所述晶体振荡器与外部输入基准参考时钟的频率偏差,根据该频率偏差设置所述RTC电路的初始的校正值,并按照该初始的校正值对所述晶体振荡器进行频率校正,再次比较校正后的所述晶体振荡器与所述外部输入基准参考时钟的频率偏差,若校正后的所述频率偏差超过偏差预设值,则对该校正值进行微调,按照微调后的校正值再次对所述晶体振荡器进行频率校正,再次比较校正后的所述晶体振荡器与所述外部输入基准参考时钟的频率偏差,若所述频率偏差仍然超过所述偏差预设值,则继续进行校正值的微调操作,直至所述频率偏差不超过所述偏差预设值,将最终的校正值作为当前定时时间内所记录的温度信号所对应的频率校正值写入所述随机存储器和所述片上非易失性存储器中的所述修调数据表中。
6.如权利要求5所述的RTC时钟频率温度补偿芯片,其特征在于,所述第一温度设定值低于所述RTC时钟频率温度补偿芯片的工作温度范围的最低温度值,所述第二温度设定值高于所述RTC时钟频率温度补偿芯片的工作温度范围的最高温度值。
7.如权利要求5所述的RTC时钟频率温度补偿芯片,其特征在于,若在所述变温设备到达所述第二温度设定值后,所述修调数据表没有被写满,则将所述修调数据表中已写入频率校正值的最低地址位所对应的频率校正值填充至所述修调数据表中没写入频率校正值的所有低地址的位置,同时将所述修调数据表中已写入频率校正值的最高地址位所对应的频率校正值填充至所述修调数据表中没写入频率校正值的所有高地址的位置。
8.如权利要求3所述的RTC时钟频率温度补偿芯片,其特征在于,所述RTC时钟频率温度补偿芯片与所述晶体振荡器是分立设置的。
9.如权利要求3所述的RTC时钟频率温度补偿芯片,其特征在于,所述RTC时钟频率温度补偿芯片与所述晶体振荡器是合封设置的。
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