水晶振動子内蔵のリアルタイムクロックモジュールのメリット・使い方・消費電流・時刻誤差、バックアップ電源切り替え機能・割り込み信号の種類、温度特性・経年変化特性、パッケージなどについての全般的な説明です。
(1)イントロダクション
(2)Microcrystalからの提案
(3)よくあるお問お合わせ
3.1..... リアルタイムクロック(RTC) とは?
3.2 ..... リアルタイムクロック(RTC) の使い方
3.3 ..... インターフェースについて
3.4 ..... 時刻誤差の計算
3.5 ..... 消費電流について
3.6 ..... バックアップ電源について
3.7 ..... 割り込み信号の種類
3.8 ...... キャリブレーションの必要の有無
3.9 ...... 温度・経年変化等の精度について
3.10 ..... リアルタイムクロック(RTC)モジュール の各種機能
3.11 ..... パッケージの種類
3.12 ..... 基板レイアウトについて
3.13 ..... 環境認証等について
3.14 ..... サンプル・評価ボードのリクエスト
3.15 ..... リナックスドライバ・PCBシンボル・3Dモデル
3.16 ..... お問合せ・サポート
(4)関連資料
(英語原本) Real-Time Clock Module selection made easy / Frequently Asked Qestions and Guideline (2021-02 Rev.1.0 )/ Microcrystal
1. イントロダクション
Microcrystal は IoT機器・ウェアラブル機器・消費者向け製品・GPS関連デバイス・自動車用電子機器・ヘルスケア機器・医療および医療用埋め込み型製品の世界有数のセットメーカー各社へ向けた 水晶振動子・クロック発振器・OCXO、およびリアルタイムクロック(RTC)モジュールを供給しています。
業界屈指の超低消費電流・高精度・超小型リアルタイムクロックモジュールのトップメーカーとして認められている Microcrystal は、初期のデザインイン活動から量産まで世界各国の多くのユーザーの製品開発・量産に密接に協力しています。
2. Microcrystal からの提案
MicroCrystal が開発したリアルタイムクロック(RTC)モジュールは、マイコンベースのハードウェアを強化するさまざまなオプションを備えておいます。消費電流を最小限に抑えつつもより小型化されたパッケージ内にパフォーマンスのさらなる向上と機能の追加を組み込むという、これまで以上に複雑な設計課題に取り組んでいる回路設計者の方のお役に立ちます。
『 水晶振動子内蔵リアルタイムクロックモジュールのラインナップ一覧 』
MicroCrystal の RTC は水晶振動子とリアルタイム クロック集積回路をRTCモジュールとして1つのパッケージに組み込まれているためフットプリントを最小限に抑えることができます。回路設計段階で発振器を調整する必要がないため XTALとのマッチングなどの制約が無く開発コストが削減され市場投入までの時間が短縮されます。Microcrystalの生産工場でのキャリブレーション プロセスとハーメチックパッケージにより、製品寿命全体にわたって高い精度と安定性、及び高い信頼性が保証されます。
RTCモジュールのラインアップ には、I2C または SPI のインターフェイス、アラーム、タイマー、タイムスタンプ、クロック出力制御、外部イベント割り込み (改ざん検出など)、電源管理、さらには正確な温度監視などの付加機能が含まれます。RTC モジュールの選定プロセスをスムーズにするためによくあるお問合せとRTCの主な機能をここで説明しつつ、いくつかのガイドラインを提案します。
3. よくあるお問合せ
3.1 リアルタイムクロック(RTC)とは ?
リアルタイムクロック (RTC) はデジタルクロックです。 その主な機能は主電源がオフまたはデバイスが低電力モードになっている間でも継続して時間を正確に保持し続けることです。
RTC はコントローラシステムと水晶発振器で構成されます。 コントローラと水晶発振回路は 外付け・または組み込みの 32.768 kHz水晶振動子に接続された専用の IC にて構成されています。 Microcrystal のすべての RTC には 既に水晶振動子が組み込まれており「RTC モジュール」と言われているものです。 水晶小振動子が組み込まれたRTCモジュールは外付け水晶振動子とRTC-ICの組み合わせよりも優れた性能を提供し、かつ新規設計を簡素化し市場投入までの時間を短縮するように設計されています。
RTCのレジスタは RAM に格納され、RTC モジュールの動作中に定期的に更新されます。 通常、デバイスに電源が供給されるたびに時刻と日付を設定する必要がないようにするためメイン電源が供給されていない場合でも時間を保持できるように、RTCを含む回路設計では長寿命のバッテリまたはその他のバックアップ電源を用いて常にRTC自体の電源は常にオンとなっています。
RTC はさまざまなアプリケーションで使用されており、アラーム、タイマーなどの割り込み機能をマイコンに出力し、消費電力の削減を支援しながら、現在の時刻を最新の状態に保つという重要な役割を果たしています。
3.2 リアルタイムクロック(RTC)を使用する理由
今日のインターネットや GPS へのアクセスによりインターネットやGPSに一度接続されると正確な時刻を取得することが出来ます。 インターネットに常時接続しているデバイスの場にはRTC が無くても問題は無い場合があります。 ただしそのためには高い電力消費が必須となるので、メインに接続されたデバイスでのみ可能となってしまいます。
バッテリー駆動デバイスは電力消費の関係で無線通信を常にオンにすることは出来ません。しかしこのようなデバイスは、時間情報を保つためには何らかの形で継続的な動作を必要とします。その上でバッテリーの寿命を延ばすためには断続的な動作を行うことが考えられます。RTC 機能を使用することでタスクが不要なときにマイクロコントローラの電源を切ることができるため、大幅な電力節約が可能です。
RTC機能を備えたマイコンがスリープモードまたは低電力モードに入った場合、正確な時間管理とアラーム機能を保持するために、内部クロックと回路は動作し続ける必要があります。ただし、内部 RTC機能のみがアクティブな場合のマイクロコントローラの消費電力は、外部RTC の消費電力をはるかに上回ります (> 1000 nA)。現在の RTC モジュールの超低消費電流 (RV-3028-C7 の時刻保持モードで 45 nA Typ. *バス通信なしにて) により、バッテリー寿命を大幅に延ばすことができます。
RTCモジュールは、他のタスクが必要ない間でもいずれかのデバイスを常に最小の消費電流でオンにしておかなければならない、という問題を解決します。RTC がシステムの重要なコンポーネントではなくとも常時オンの計時機能は必須であり、RTC を選択することで、省電力とバックアップの計時が重視される今日のパーソナル エレクトロニクス、医療機器、または工業用途製品の設計を支えています。
3.3 リアルタイムクロック(RTC)の通信インターフェース
※ 以下の2種類のインターフェースがあります。
<I2C> I2Cは2線のシンプルな双方向シリアル通信インターフェースです。ファーストモードで最大400kbit/s。
SCL/SDAの双方のラインをプルアップする必要があります。
<SPI> SPIは全二重で3線または4線のシリアル通信です。
通信速度はI2Cよりも速く〜7Mbit/sで、より早い通信速度が必要な場合に使用されます。
< ポイント >
I2Cの方がより一般的に使用されます。I2Cの通信速度は一般には十分な速度であり、ラインも2線で済みます。プルアップ抵抗が必要になるため基板上に抵抗を2つ配置する必要があります。より速い通信速度が必要な場合はSPIを使用します。I2Cインターフェースはデータ送信中にプルアップ抵抗に電流が流れるため、同じ通信速度条件ではSPIよりも消費電流が高くなります。
3.4 リアルタイムクロック(RTC)の時刻誤差の計算
RTCモジュールの主要なスペックの一つとして『内部基準発振器の精度』があります。
主に『ppm(百万分の一)』で表わされます。
■『RTC用ICと外部の水晶振動子』を組み合わせた設計では、以下の例の精度誤差が生じます。
(一般的に考えられる誤差の例です)
・水晶振動子の偏差(常温) ....... ±20ppm
・負荷容量調整の誤差 .............. ±7ppm
・基板配線(容量)による誤差...... ±2ppm
・RTC ICの内部要領誤差による誤差 ..... ±8ppm
→ トータルで 最大 ±37ppmになる場合も
RTCで使用される周波数基準は通常 32.768 kHz の音叉型水晶振動子がベースであるため時間誤差は主に発振器のこの誤差に直接関係しています。さらに 二次曲線の負の温度係数 の特性により -40°C 〜 +85°C の範囲の産業用動作温度全体では 最大150 ppm の周波数の変化が生じる可能性があります。
+25℃一定の環境でも温度変化の無い環境の場合でも ±20 ppm の精度の RTCモジュールは、以下の計算の通り年間 ±10 分を超える時刻誤差につながる可能性があります(±37ppmの場合はさらにこの約1.85倍の誤差になります)。
MicroCrystal のすべての RTC モジュールは製造時に常温で±20ppm以内に調整されるため外付けの振動子を用いた設計よりも高い制度になります。さらに高精度タイプの場合は、1Hzのデジタルオフセット調整がなされるため-40〜+85℃の全温度範囲で±3ppm以内(RV-8803-C7, RV-3032-C7)または常温で±1ppm以内(RV-3028-C7)になります。ユーティリティ メータリング、POS端末、またはセキュリティ関連の機器やシステムなど、時刻・タイミング測定を課金に使用するアプリケーションでは高い時間精度が必要になります。
<ポイント>
一部のアプリケーションでは広い温度範囲で高い計時精度を必要とします。この広い温度範囲での高精度な時刻は、例えばセンサーが設置されている場合、または主に屋外で動作するアプリケーションの場合に重要です。その場合には温度補償機能を備えた RTCモジュールを選択することをお勧めします。この温度補償機能により工業用温度範囲(-40〜?85℃)全体で±3 ppm (± 0.26 秒/日) の精度を実現できます。
3.5 リアルタイムクロック(RTC)の消費電流
リアルタイムクロックモジュールの時計保持モードでの消費電流により、主電源がオフになった際のバックアップ電源の寿命時間が決まってきます。リアルタイムクロックモジュールの仕様では通常@+3.3V/@ 25℃の条件で定義されています。
MEMSベースのリアルタイムクロックでは高周波からの分周になるため消費電流が多くなります(>2000nA)。それに対して低周波の水晶振動子技術を用いたMicroCrystalのリアルタイムクロックは非常に低いレベルの消費電流を達成できます(45nA Typなど)。高精度の温度補償機能付きタイプでも 160nA Typ.を実現しています。リアルタイムクロックモジュールを必要とする低消費電流を要求されるアプリケーションには水晶ベースのリアルタイムクロックモジュールがより適しています。
時計保持モード時の消費電流を最小化するためには、クロック出力をオフとしてさらに通信インターフェースを停止させる必要があります。MicrocCrystalの RV-3028-C7 及び RV-3032-C7 は計時保持モード(バックアップモード)でもアラーム、タイマの割り込み信号を出力できるため、最小の消費電流で時刻を保持しながら必要なタイミングでシステムをウェイクアップさせることが出来ます。
時計保持モード(バックアップモード)時のリアルタイムクロックモジュールの消費電流は接続構成及び設定(電圧モニタリング回路、クロック出力のオン/オフなど)により値が変わります。
3.6 バックアップ電源について
多くの場合、リアルタイムクロックモジュールは電源がオフにならない様にバックアップ電源が用意されて、時刻を再設定する必要のない設計なっています。自動で主電源の電圧低下を検出してバックアップ電源に切り替える機能(電源自動切替機能)のある機種があります。
アプリケーションの目的に合ったリアルタイムクロックモジュールの選定とともに、必要とするバックアップ時間によりバックアップ電源の種類が変わって来ます。バックアップ電源の種類は @MLCC A電気二重層コンデンサ B一次リチウム電池または2次リチウム電池 が一般的です。
<ポイント>
実際にアプリケーションで使用される環境条件等も十分に考慮に入れてバックアップ電源を選定する必要があります。
(コスト、サイズ、温度による挙動、自然放電、充電サイクル、電池自己寿命、極性の有無、リフロー条件、エコサイクルなど)
MicroCrystalのリアルタイムクロックモジュールの幅広い動作電圧により、バックアップ電源の放電プロファイル(電圧変化)に幅広く対応することが出来ます。チャージポンプ機能をもつ機種 (RV-3032-C7に搭載)により充電を拡張できる可能性も考慮されて下さい。
3.7 割り込み信号の種類
アラーム割り込み信号は機種により秒または分から年まで設定が行えます。アラーム以外にも、繰り返しカウントダウンタイマ、時刻更新割込み信号、外部イベント入力割り込み信号、バックアップ電源切替割り込み信号 などがあります。
これらの割り込み信号はリアルタイムクロックモジュールがバックアップモードの場合でも出力することが出来ます。
こちら(3.10項) のリストもご参照下さい。
3.8 キャリブレーションの必要の有無
MicroCrystalのリアルタイムクロックモジュールは工場出荷時に全数調整が行われており、ユーザーサイドでのキャリブレーションの必要はありません。高精度温度補償タイプのRTCも全数工場で内部の温度センサが校正され周波数の温度補正値が書き込まれて出荷されるため、ユーザーサイドでの調整は不要です。時刻精度及び温度センサ値(温度センサ出力機能のある機種で)は工場出荷時に仕様の精度に収まっています。
3.9 リアルタイムクロック(RTC)の精度について
リアルタイムクロックの精度は内部の水晶発振器の精度に準じます。そのため周囲環境の影響と若干の経年変化の影響を受けます。
MicroCrystalのリアルタイムクロックモジュールでは、水晶振動子とRTC-ICを真空状態で密閉パッケージに一体化しているため、湿度や汚染の影響を受けなくなります。
温度変化の大きい環境では、DTCXO(温度補償)タイプが有効です。32.768kHzパルスから時刻のもとになる1Hzの生成時にパルスの加算または減算により温度変化に対してデジタル補正し時刻精度を保ちます。この補正は工場出荷時に設定されておりユーザーでの調整不要です。
経年変化については内部の32.768kHz発振器の水晶振動子部分とコンデンサ相当部分が計時変化により僅かに変化するため、わずかですが周波数が変化します。リアルタイムクロックモジュールの経年変化の規格は『±3ppm以内/初年度』ですが、この値はリフロー実装時の変化量を含んでいます。そのため2年目以降の実際の周波数の経年変化量は僅かです。
3.10 リアルタイムクロック(RTC)モジュール の各種機能
機種により機能は異なりますが、例えばマイコンがスリープモードの間に、電源管理、温度管理、タイマ、アラーム、外部イベント発生の検出時の割り込み信号出力などによりシステムの動作を監視することが出来ます。(海外の)サマータイムはRTCモジュールの時刻情報には反映されません(エリアごとに異なるため)。リアルタイムクロックモジュールの機能を以下リストに示します。
(アラーム設定可能な内容など、機種ごとに違いがあります)
機能 | 内容 |
@年 |
うるう年を自動修正 |
A月 |
|
B日 |
|
C曜日 |
|
D時間 |
12時間または24時間 の表示 |
E分 |
|
F秒 |
|
G1/100秒 |
読込みのみ。高精度RTCモジュールにのみの機能 |
HUNIX タイムカウンタ |
1970年1月1日 0:00:00 からの UNIX timeカウンタ(RV-3028-C7のみの機能) |
Iアラーム |
秒または分から日・曜日または月、年まで |
Jタイマー |
244μs〜4095分までのプログラマブルタイマ。繰り返し設定可。 |
K割込み信号 |
≪ 割り込み信号の種類 ≫(機種により異なります) |
Lプログラマブル・クロック出力 | 1Hz〜32.768kHz、または1Hz〜数十MHzまで(機種により異なります)。 Enable/Disableが可能です。CMOSレベルの出力で周辺デバイスにクロックを供給出来ます。 |
Mタイムスタンプ | 外部イベント入力端子 (EVI)に入力があった時点のタイムスタンプを記録します。(同時に割り込み信号も出力します) 設定によりRTC内部のメモリに最初の発生時または最後の発生時の値を残すことが出来ます。またイベント発生数も記録できます。(3機種に搭載・・詳細は各機種のアプリケーションマニュアルを参照下さい) |
N温度センサ値出力 |
8ビットまたは12ビットの補正された温度情報を読み取れます(一部機種のみ)。 |
OユーザーRAMメモリ | 0〜256バイトまでの RAMメモリレジスタ(機種により異なります) |
PユーザーRAMメモリ | 0〜43バイトまでの EEPROMレジスタ(機種により異なります) |
Qオフセット調整 |
・時刻精度(1HZ)のオフセット調整 |
Rパスワード |
不注意による時刻書込み設定の防止、 及び設定レジスタの保護 |
Sパワーオンリセット (POR) |
・RAMレジスタを初期化 |
(21)トリクルチャージ | バックアップ電源が二次電池や二重層コンデンサの際にチャージ抵抗を設定 |
(22) チャージポンプ |
バックアップ電源のチャージ電圧を引き上げてバックアップ保持時間を延長 |
3.11 パッケージの種類
多くのバッテリ駆動のアプリケーションはポータビリティや設置のしやすさのため、非常に小型化を求められます。
MicroCrystal では 3.2×1.5×0.8mm (C7 パッケージ) の超小型サイズの水晶振動子内蔵RTCモジュールのラインアップを拡充しています。
タイプ | サイズ |
C7 パッケージ | 3.2×1.5×0.8mm |
C3 パッケージ | 3.7×2.5×0.9mm |
C2 パッケージ | 5.0×3.21.2mm |
3.12 基板レイアウトについて
水晶振動子内蔵のリアルタイムクロックモジュールはマイコンの近くに配置する必要はありません。これは外付けの振動子の組み合わせのリアルタイムクロックとの大きな差です。そのため基板設計時の自由度が増します。例えばRTCモジュール内部の温度センサ機能を使用する場合、基板上の温度を測定したい場所にリアルタイムクロックモジュールを設置出来るため温度センサ機能を効果的に使用することが出来ます。
MicroCrystal のリアルタイムクロックモジュールは水晶振動子と発振回路が気密パッケージ内に収まっているため、基板汚染の影響による周波数変化は無く、そのため基板の絶縁コーティングの有無の影響を受けません。
3.13 環境認証等について
MicroCrystal のリアルタイムクロックモジュールは RoHS/100%鉛フリー/REACHに準拠しており、AEC-Q200 も認定済み("QA"タイプ)のため新規設計に採用頂くことに支障はありません。一部のメディカル グレードの製品は ClassVのインプラント医療機器向けの特定用途です。(ClassU/ClassTの医療機器向けには一般工業用途品をご使用下さい)。
出荷品は100%周波数調整済みで出荷前に全数検査されます。
品質認証:ISO9001、環境認証:ISO14001、また自動車の品質認証: IATF16949 を認定済みです。
3.14 サンプル・評価ボードのリクエスト
MicroCrystal はお客様の評価用に、5pcsの RTC サンプルパックとはんだ付けされた RTC モジュールを搭載済みの評価ボードを提供しています。 このボードはPC との通信用の インターフェイス ドングル 等に接続できます。
こちらのページ の 右側・各型番の "Free Samples" をクリックするとリクエストフォームが開きます。
3.15 リナックスドライバ・PCBシンボル・3Dモデル
RTCモジュールの型番選定には、主要な機能がリストされている RTC 製品ページを使用することができます。またはダウンロード可能な Excel ファイル (RTC モジュール パラメトリック テーブル) にアクセスしてオフラインで選択を実行することもできます
パラメトリック検索ページ
Excelファイルのダウンロード
・Micro Crystal は、要求に応じて Linux ドライバー と Windows GUI を提供します。
(こちらは 多摩デバイス まで お問合せ 下さい )
・また回路設計作業を容易にするために、PCB シンボル/フットプリント/および 3D モデルも各製品ページで利用できます。
https://www.microcrystal.com/en/products/real-time-clock-rtc-modules/
こらのページから個別型番のページに入り、右下の以下の記号をクリックしてください。
・ユースケースとアプリケーションのさまざまな側面を詳述したさまざまな ホワイトペーパー も利用できます。
3.16 お問合せ/サポート
・(株)多摩デバイス お問合せ先(日本国内)
( mailto: microcrystal@tamadevice.co.jp)
または お問合せフォーム
・Microcrystal 問い合わせ窓口(スイス/グレンヘン)
( mailto: marketing@microcrystal.com )
( mailto: tech-support@microcrystal.com )
4. 関連資料
・環境認証ドキュメント |
Download |
・Excel パラメトリックテーブル |
Download |