0 引言

　　實(shí)時(shí)時(shí)鐘（Real-Time Clock,，RTC）在智能電表中具有重要的作用，其為電能表計(jì)費(fèi),、計(jì)時(shí),，以及在此基礎(chǔ)上的智能化功能提供了精準(zhǔn)的時(shí)間保障。通常的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片需要在電表的市電環(huán)境和電池環(huán)境下都可以正?？煽康毓ぷ?，所以其功耗的高低、工作電壓范圍對(duì)電表壽命有較大影響,；同時(shí)在實(shí)現(xiàn)智能電表的功能例如遠(yuǎn)程抄表,、分時(shí)電價(jià)等方面，需要時(shí)鐘有極高的精準(zhǔn)度,；由于電表的應(yīng)用環(huán)境分布于我國的大江南北,，氣候帶跨度較大，在這種環(huán)境中需要芯片具有全溫區(qū)工作的能力,。國網(wǎng)智能電表對(duì)于實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片,、模塊的需求每年在六千萬以上，產(chǎn)值約為兩億元人民幣,。所以對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘技術(shù)的研究具有很高的價(jià)值及意義,。

1 實(shí)時(shí)時(shí)鐘技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

　　實(shí)時(shí)時(shí)鐘(Real-Time Clock，RTC)技術(shù)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(duì)BT-Cut晶體進(jìn)行溫度補(bǔ)償,，以達(dá)到高精度的實(shí)時(shí)時(shí)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(duì)晶體溫度曲線的補(bǔ)償展開,；由于通常的RC振蕩器以及其他形式的模擬自激發(fā)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(diào)整到ppm(Point per Million)數(shù)量級(jí)的頻率精度,，因受半導(dǎo)體工藝影響較大,，振蕩器本身的工業(yè)生產(chǎn)會(huì)存在較多問題，同時(shí)需要較高的封裝測(cè)試成本維持量產(chǎn)良品率,，所以CMOS工藝RC振蕩器在高精度RTC設(shè)計(jì)中一直未被廣泛采用,。MEMS振蕩器在近些年開始發(fā)展，逐步針對(duì)RTC進(jìn)行設(shè)計(jì),，但產(chǎn)品的成熟性還有待驗(yàn)證[2-3],。

　　智能電表中RTC主要負(fù)責(zé)提供高精準(zhǔn)度的時(shí)鐘以及基本的日歷功能，目前RTC時(shí)鐘會(huì)用于分時(shí)計(jì)費(fèi)和遠(yuǎn)程集抄系統(tǒng)的計(jì)時(shí)功能中,，其1 Hz需要的精度約為±10 ppm,，如果誤差大于此值,，對(duì)電能的分段計(jì)費(fèi)或超標(biāo)過程中產(chǎn)生的電量數(shù)據(jù)將不準(zhǔn)確，由此帶來的誤差對(duì)用戶或供電單位都可能造成較大的損失,，所以智能電表對(duì)RTC的精度要求是較高的,。

　　智能電表在不接入電網(wǎng)運(yùn)行，或在運(yùn)行中停電時(shí),，其正常運(yùn)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(duì)其功耗要求亦較為嚴(yán)苛,。

　　1.1 基于晶體溫度補(bǔ)償技術(shù)的RTC技術(shù)

　　由于晶體自然特性,，其具有較高的頻率穩(wěn)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(guān),，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中AT-Cut晶體曲線溫度變化最小,，在全溫區(qū)（-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(huì)較為接近雙曲曲線,，使補(bǔ)償電路算法復(fù)雜，不利于批量生產(chǎn),。所以在進(jìn)行高精度溫度補(bǔ)償RTC設(shè)計(jì)中,，通常不會(huì)采用AT-Cut晶體。

　　通常用于RTC設(shè)計(jì)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(qū)有較大變化，但是不同的晶體個(gè)體都有相似的拋物線溫度曲線,，所以在溫度補(bǔ)償?shù)倪^程中，可以由簡(jiǎn)單的二次表達(dá)式獲得溫度曲線,。

　　針對(duì)晶體的補(bǔ)償方式通常從兩方面出發(fā)：(1)恒定晶體的溫度環(huán)境,，即使芯片內(nèi)的晶體處于一個(gè)穩(wěn)定的溫度環(huán)境內(nèi)，通常BT-Cut晶體在25 ℃±5 ℃范圍內(nèi),，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(huán)境溫度穩(wěn)定，即可以一定程度上保證時(shí)鐘輸出的穩(wěn)定,。但是對(duì)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(shí)鐘方面有較大的功耗問題,。(2)還可針對(duì)與芯片封裝在一起的晶體的溫度曲線偏差對(duì)晶體振蕩器進(jìn)行補(bǔ)償[4],，這是目前最常見的晶體振蕩器RTC的制作方法,。但是補(bǔ)償?shù)膹?fù)雜度較高，芯片生產(chǎn)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(shù)逐漸出現(xiàn)在市場(chǎng)上,，主要特點(diǎn)為芯片產(chǎn)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(shù)影響較大,，所以其產(chǎn)品穩(wěn)定性較差,，振蕩器精度受工作環(huán)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(nèi)的溫度傳感器距離溫度較遠(yuǎn)是這類晶體外置型振蕩器的另一個(gè)問題,，會(huì)造成感知溫度與晶體溫度差距較大，容易存在溫度補(bǔ)償不準(zhǔn)確的問題,。且其使用方式復(fù)雜,，同時(shí)對(duì)晶體的要求較高，使晶體和電表的生產(chǎn)成本上升,。

　　1.2 基于MEMS技術(shù)的RTC技術(shù)

　　隨著MEMS振蕩器的技術(shù)成熟,，MEMS振蕩器在近幾年逐漸廣泛應(yīng)用[2]，MEMS的特點(diǎn)為利于集成和頻率可調(diào)整,，容易在單芯片中做成多頻率可調(diào)整的振蕩器,，且通用性較好。一個(gè)典型的MEMS振蕩器結(jié)構(gòu)如圖2所示,。

　　圖2所示是一個(gè)可調(diào)折疊插指電容結(jié)構(gòu)的MEMS振蕩器,，電路部分形成了一個(gè)基本的振蕩器。這樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為面積小,，利于集成在芯片內(nèi)部,，同時(shí)由于梳狀振蕩腔體可調(diào)節(jié)，所以對(duì)片上集成電容的依賴程度小,，將大大減少芯片的面積,，節(jié)省RTC芯片成本。

　　但是MEMS振蕩器的溫度相關(guān)性較大,，在高低溫度區(qū)段分別有較大的頻率誤差,，在RTC設(shè)計(jì)中，對(duì)溫度傳感器的要求較高,，這樣的設(shè)計(jì)在生產(chǎn)調(diào)試過程中容易出現(xiàn)良品率不高的問題,。

　　同時(shí)由于MEMS技術(shù)的產(chǎn)品通常是基于硅基半導(dǎo)體工藝獲得，沒有晶體相對(duì)對(duì)壓力和濕度敏感的特性,，所以MEMS工藝的振蕩器特性較為統(tǒng)一,，且產(chǎn)品易于與CMOS工藝的補(bǔ)償電路部分共同封裝為RTC芯片產(chǎn)品,，對(duì)于封裝良品率會(huì)有提高，同時(shí)生產(chǎn)制造的成本會(huì)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(jià)格劣勢(shì),，所以其產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力往往同晶體振蕩器制造的RTC產(chǎn)品相當(dāng)。

　　1.3 基于模擬振蕩器技術(shù)的RTC技術(shù)

　　上述的RTC實(shí)現(xiàn)方式中,，都需要外接分立元件形成最基礎(chǔ)的振蕩器模塊,，并對(duì)振蕩器進(jìn)行溫度等方面的補(bǔ)償。為了解決外接分立元件對(duì)芯片封裝帶來的困難,，同時(shí)較高精度的溫度傳感器技術(shù)同樣阻礙了RTC精度的提升,， 針對(duì)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(yīng)用到設(shè)計(jì)智能電表RTC中來[5-9],，其原理如圖3所示,。

　　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(shù)量級(jí)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(shí)不同造成的,。目前有很多針對(duì)張弛振蕩器這個(gè)特點(diǎn)的研究，對(duì)張弛振蕩器中比較器的補(bǔ)償也是目前技術(shù)研究的熱點(diǎn)[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(duì)RTC的要求尚有一定距離，還需要通過新的補(bǔ)償機(jī)制使頻率穩(wěn)定性有較大突破,。這是目前在傳統(tǒng)微電子工藝下能夠獲得較穩(wěn)定低頻輸出的最佳手段之一,。

2 各類技術(shù)性能比較

　　目前RTC技術(shù)中較為成熟的技術(shù)為針對(duì)晶體振蕩器的溫度補(bǔ)償技術(shù)，但是其他技術(shù)也各有優(yōu)劣,，表1詳細(xì)比較了不同技術(shù)所設(shè)計(jì)的RTC模塊的特點(diǎn),。

3 智能電表RTC技術(shù)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(diào)的優(yōu)勢(shì)會(huì)越來越明顯,，隨著工藝的進(jìn)步,，MEMS振蕩器的頻率穩(wěn)定性會(huì)進(jìn)一步突出，將成為晶體振蕩器的有利挑戰(zhàn)者,，同時(shí)基于MEMS振蕩器的RTC應(yīng)用將越來越多,。

　　3.2 具有補(bǔ)償結(jié)構(gòu)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(duì)其RTC應(yīng)用的精度不高，如果需要達(dá)到智能電表的目標(biāo)精度,，還需要對(duì)振蕩器精度進(jìn)行改進(jìn),以達(dá)到高精度的時(shí)鐘輸出,。

　　3.3 脫離RTC模組的其他智能電表授時(shí)機(jī)制

　　隨著電表的應(yīng)用越來越多，其中包括載波模塊在內(nèi)的通信模塊也將越來越多,，通信精度帶來的信號(hào)延時(shí)誤差將被縮小,，將能夠達(dá)到足夠高的計(jì)時(shí)精度,，此時(shí)通過多次調(diào)取授時(shí)中心的時(shí)間，將能夠滿足電表對(duì)高精度時(shí)鐘的需求,，所以以其他模塊代替RTC也是十分可行的,。

4 結(jié)論

　　基于目前智能電表對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的基本技術(shù)需求，對(duì)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(shù)還是會(huì)采用晶體振蕩器或MEMS振蕩器設(shè)計(jì),，這在主流技術(shù)中占據(jù)了主導(dǎo)地位，從智能電表市場(chǎng)上也得到了相應(yīng)的反應(yīng),。相對(duì)于晶體振蕩器技術(shù)的成熟,，MEMS振蕩器有其易于封裝生產(chǎn)的特點(diǎn)，但是其溫度特性相對(duì)于晶體振蕩器對(duì)電路部分提出了更高的要求,，這同時(shí)也是一個(gè)技術(shù)門檻,，在將來的RTC設(shè)計(jì)中，MEMS器件的成本將會(huì)進(jìn)一步下降,，同時(shí)隨著技術(shù)的發(fā)展,，其應(yīng)用也將越來越為廣泛。

　　張弛比較器等純微電子技術(shù)的RTC對(duì)研究者的誘惑力是非常大的,，因?yàn)檫@將拋棄獨(dú)立元器件,，真正在CMOS工藝中直接設(shè)計(jì)制造出RTC模塊來，其成本在未來最有優(yōu)勢(shì),。但是目前大多處于對(duì)張弛振蕩器實(shí)時(shí)時(shí)鐘技術(shù)的研究階段,，對(duì)于比較器以及外圍電路的補(bǔ)償與RTC電路低功耗的要求背道而馳，如何對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化并找到合適的技術(shù)突破點(diǎn)將是這種方案面臨的最大難題,，這將是未來實(shí)時(shí)時(shí)鐘技術(shù)的一個(gè)重要方向,。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] JUERGEN H S.Subminiature quartz tuning fork resonator[C].27th Annual Symposium on Frequency Control，1973.

　　[2] LAM C S.A review of the recent development of MEMS and crystal oscillators and their impacts on the frequency control products industry[C].2008 IEEE Ultra-sonics Symposium,，Beijing,，2008.

　　[3] CIOFFI K R，HSU W.32 kHz MEMS-based oscillator for low-power applications[C].IEEE Int.Frequency Control Symp.Exposition,，2005.

　　[4] LANFRANCHI D,，DIJKSTRA E，AEBISCHER D.A microprocessor-based analog wristwatch chip with 3 seconds/year accuracy[C].IEEE Intl.Solid-State Circuit Conf.Dig.,，1994.

　　[5] TOKUNAGA Y,，SAKIYAMA S，MATSUMOTO A,，et al.A non-chip CMOS relaxation oscillator with voltage averaging feedback[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,，2010，45(6)：1150-1158.

　　[6] UENO K,，ASAI T,，AMEMIYA Y.A 30 MHz 90 ppm/℃ fully-integrated clock reference generator with frequency-locked loop[C].ESSCIRC,，2009：392-395.

　　[7] TOKAIRIN T，NOSE K,，TAKEDA K,，et al.A 280 nW 100 kHz1-cycle start-up time on-chip CMOS relaxation oscillator employing a feedforward period control scheme[C].VLSI Circuits Symp.Dig.，2012.

　　[8] HSIAO K J.A 32.4 ppm/℃ 3.2-1.6 V self-chopped relaxation oscillator with adaptive supply generation[C].VLSICircuits Symp.Dig.Tech.Papers,，2012.

　　[9] TSUBAKI K,，HIROSE T，OSAKI Y,，et al.A 6.66-kHz,，940-nW，56 ppm/℃ fully on-chip PVT variation tolerantCMOS relaxation oscillator[C].19th IEEE International Conference on Electronics Circuits and Systems (ICECS),，2012.