高精度RTC需求来源
在电子电力行业中的一些应用如智能电表对计时精度有严格的要求，需要时钟误差PPM在个位数以内甚至更低。然而，直接依靠晶振产生的时钟往往不能满足技术规范要求。例如，常见的32.768KHz圆柱晶振，其温度特性曲线是以理想室温25℃为中心线的向下抛物线，温度变低或变高都会使频率稳定度变差，全温范围的时钟误差可达60PPM以上。
图表 1：晶振随温度变化的频差
为了实现符合规范要求的高精度RTC，业界常用两种方案。其一是使用带有温补功能的8025T RTC时钟芯片。此类芯片集成了晶振和温度补偿算法等功能。其内部功能框图如下，此类芯片集成了晶振和温度补偿算法等功能，其内部功能框图如下，该类芯片采用硬件补偿的方式，综合成本较高。
图表 2：具有温补功能的RTC芯片功能框图
另一种方案是将关键的温度补偿算法以及可调校的RTC集成在主控MCU中，外部电路只需增加温度传感器和晶振，即可实现和时钟芯片一样的带有温补功能的高精度RTC。这种方案总体成本低，但是需要MCU提供适配硬件的温度补偿算法。
小华高精度RTC方案
小华半导体通过和深圳锐能微深度合作，将RTC温度补偿算法核心技术应用在HC32F4系列产品上，实现了可以达到电表规范要求的高精度RTC，其方案结构图如下。
图表 3：小华高精度RTC方案
晶振的误差主要包含两种：一种是常温公差，另一种是温漂误差。这些误差可由公式拟合计算，通过计算出多项式的各项系数之和，就可以得到晶振在任意温度下的频率误差。
图表 4：频率误差计算公式
本方案将实验得到的不同温度误差数据代入公式，计算出多项式的各项系数，然后得到晶振频率的实际误差数据。有了晶振误差的数据，就可以通过MCU的内置RTC补偿功能进行校准。通过配置补偿寄存器的值，将晶振输入有误差的时钟信号校准成消除误差的高精度时钟信号，然后提供给RTC的功能单元，用于产生精确的时间数据。
小华方案验证板
针对客户的评估需求，小华提供专用的验证板以及包含DEMO程序的开发包。
图表 5：验证版的PCB图
DEMO程序中的算法软件库包括晶振校准、补偿值计算、补偿值写入等主要程序功能。这些程序可以实现市电供电与低功耗供电情况下的温度补偿，程序功能介绍如下：
晶振校准程序。此程序根据不同温度标定点数据计算晶振多项式的系数，只需要执行一次。用户可将计算结果保存在存储器中，后续直接读取使用，流程如下图：
图表 6：晶振校准流程
晶振补偿程序。此程序实现温度采集及补偿值计算，使用当前温度值计算晶振的误差，然后根据误差值计算出需要写入MCU补偿寄存器的值，可每秒钟执行一次，流程如下图。
图表 7：晶振补偿计算流程
补偿值写入程序。此程序在RTC的秒中断函数中运行，将计算出的MCU补偿值写入到RTC校准寄存器中，流程如下图。
图表 8：补偿值写入流程
温度补偿算法可以对累计一段时间内的误差进行多级补偿，累计时间越久，可消除的误差越多，平均后的补偿精度就越高。本方案中，程序每10秒补偿精度约为0.3PPM，每60秒补偿精度约为0.06PPM，实际测试数据统计如下图。
图表 9：几个温度点的温补后精度
验证板功耗数据。MCU在1MHz工作主频下，工作电流小于600uA。MCU在8MHz工作主频下，工作电流小于1000uA。MCU在睡眠模式下，工作电流约为11uA。打开补偿算法功能，其唤醒后运行时间小于50ms，整个周期平均工作电流小于600uA。
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