Epson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
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。
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。
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。
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:
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
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:
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。
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。