智能电表实时时钟技术综述*

杨 庆，杜新纲，董 赞

（1.国家电网公司，北京 100031；2.国家电网公司 营销部，北京 100031；3.北京南瑞智芯微电子科技有限公司，北京 100192）

0 引言

实时时钟（Real-Time Clock，RTC）在智能电表中具有重要的作用，其为电能表计费、计时，以及在此基础上的智能化功能提供了精准的时间保障。通常的实时时钟芯片需要在电表的市电环境和电池环境下都可以正常可靠地工作，所以其功耗的高低、工作电压范围对电表寿命有较大影响；同时在实现智能电表的功能例如远程抄表、分时电价等方面，需要时钟有极高的精准度；由于电表的应用环境分布于我国的大江南北，气候带跨度较大，在这种环境中需要芯片具有全温区工作的能力。国网智能电表对于实时时钟芯片、模块的需求每年在六千万以上，产值约为两亿元人民币。所以对实时时钟技术的研究具有很高的价值及意义。

1 实时时钟技术发展现状

实时时钟(Real-Time Clock，RTC)技术最早由32.768 kHz晶体振荡器[1]模块衍生而来，很多研究致力于对BT-Cut晶体进行温度补偿，以达到高精度的实时时钟，由于BT-Cut 32.768 kHz晶体具有类抛物线型的温度曲线，所以很多研究围绕对晶体温度曲线的补偿展开；由于通常的RC振荡器以及其他形式的模拟自激发振荡器在频率的精度方面都有较大差异，难以将低频振荡电路调整到ppm(Point per Million)数量级的频率精度，因受半导体工艺影响较大，振荡器本身的工业生产会存在较多问题，同时需要较高的封装测试成本维持量产良品率，所以CMOS工艺RC振荡器在高精度RTC设计中一直未被广泛采用。MEMS振荡器在近些年开始发展，逐步针对RTC进行设计，但产品的成熟性还有待验证[2-3]。

智能电表中RTC主要负责提供高精准度的时钟以及基本的日历功能，目前RTC时钟会用于分时计费和远程集抄系统的计时功能中，其1 Hz需要的精度约为±10 ppm，如果误差大于此值，对电能的分段计费或超标过程中产生的电量数据将不准确，由此带来的误差对用户或供电单位都可能造成较大的损失，所以智能电表对RTC的精度要求是较高的。

智能电表在不接入电网运行，或在运行中停电时，其正常运行的电能是由电表中的电池提供的，RTC是断电情况下依然要保证正常工作的部分，所以对其功耗要求亦较为严苛。

1.1 基于晶体温度补偿技术的RTC技术

由于晶体自然特性，其具有较高的频率稳定性，在施加相同外界电压下，其本征震荡频率由晶体的厚度和切割角度相关，其中32 kHz晶体振荡频率精度随温度变化曲线如图1所示。

图1 不同切向晶频率随温度变化曲线

图1中AT-Cut晶体曲线温度变化最小，在全温区（-40℃～+85℃）的变化可以在±50 ppm附近，但是其曲线为三次曲线，且曲线形式通常不单一，部分晶体的温度曲线会较为接近双曲曲线，使补偿电路算法复杂，不利于批量生产。所以在进行高精度温度补偿RTC设计中，通常不会采用AT-Cut晶体。

通常用于RTC设计的晶体为BT-Cut晶体，其制造与AT-Cut类似，虽然温度曲线在全温区有较大变化，但是不同的晶体个体都有相似的抛物线温度曲线，所以在温度补偿的过程中，可以由简单的二次表达式获得温度曲线。

针对晶体的补偿方式通常从两方面出发：(1)恒定晶体的温度环境，即使芯片内的晶体处于一个稳定的温度环境内，通常BT-Cut晶体在25℃±5℃范围内，通常具有±3 ppm的误差水平，所以如果通过保持晶体振荡器中晶体的工作环境温度稳定，即可以一定程度上保证时钟输出的稳定。但是对晶体恒温的方式通常除了需要功耗较高的温度传感器外，还需要较大功耗的温控部分，这在追求低功耗高精度的时钟方面有较大的功耗问题。(2)还可针对与芯片封装在一起的晶体的温度曲线偏差对晶体振荡器进行补偿[4]，这是目前最常见的晶体振荡器RTC的制作方法。但是补偿的复杂度较高，芯片生产成本偏高，且后期没有能够降低成本的方式。

近几年，晶体外置的技术逐渐出现在市场上，主要特点为芯片产品成本低，晶体与芯片放置在PCB相邻近的位置，但由于其晶体振荡器受PCB寄生参数影响较大，所以其产品稳定性较差，振荡器精度受工作环境影响大，整体模块可靠性与芯片封装可靠性相比较低；晶体与芯片内的温度传感器距离温度较远是这类晶体外置型振荡器的另一个问题，会造成感知温度与晶体温度差距较大，容易存在温度补偿不准确的问题。且其使用方式复杂，同时对晶体的要求较高，使晶体和电表的生产成本上升。

1.2 基于MEMS技术的RTC技术

随着MEMS振荡器的技术成熟，MEMS振荡器在近几年逐渐广泛应用[2]，MEMS的特点为利于集成和频率可调整，容易在单芯片中做成多频率可调整的振荡器，且通用性较好。一个典型的MEMS振荡器结构如图2所示。

图2 MEMS 32 kHz振荡器结构图

图2所示是一个可调折叠插指电容结构的MEMS振荡器，电路部分形成了一个基本的振荡器。这样的结构特点为面积小，利于集成在芯片内部，同时由于梳状振荡腔体可调节，所以对片上集成电容的依赖程度小，将大大减少芯片的面积，节省RTC芯片成本。

但是MEMS振荡器的温度相关性较大，在高低温度区段分别有较大的频率误差，在RTC设计中，对温度传感器的要求较高，这样的设计在生产调试过程中容易出现良品率不高的问题。

同时由于MEMS技术的产品通常是基于硅基半导体工艺获得，没有晶体相对对压力和湿度敏感的特性，所以MEMS工艺的振荡器特性较为统一，且产品易于与CMOS工艺的补偿电路部分共同封装为RTC芯片产品，对于封装良品率会有提高，同时生产制造的成本会有一定下降。不过目前由于MEMS工艺本身的成本尚与晶体制造工艺相比有一定的价格劣势，所以其产品竞争力往往同晶体振荡器制造的RTC产品相当。

1.3 基于模拟振荡器技术的RTC技术

上述的RTC实现方式中，都需要外接分立元件形成最基础的振荡器模块，并对振荡器进行温度等方面的补偿。为了解决外接分立元件对芯片封装带来的困难，同时较高精度的温度传感器技术同样阻碍了RTC精度的提升，针对RTC低频率以及低功耗的基本要求，张弛振荡器(ROSC)也逐渐被应用到设计智能电表 RTC中来[5-9]，其原理如图3所示。

图3 张弛振荡器原理图

但是目前张弛振荡器的震荡精度无法与晶体振荡器相媲美，在精度上有数量级的差距，这主要是由于张弛振荡器电路中比较器的失配和电路延时不同造成的。目前有很多针对张弛振荡器这个特点的研究，对张弛振荡器中比较器的补偿也是目前技术研究的热点[9]，在研究中张弛振荡器的功耗和频率精度都有较大提高，但是与智能电表对RTC的要求尚有一定距离，还需要通过新的补偿机制使频率稳定性有较大突破。这是目前在传统微电子工艺下能够获得较稳定低频输出的最佳手段之一。

2 各类技术性能比较

目前RTC技术中较为成熟的技术为针对晶体振荡器的温度补偿技术，但是其他技术也各有优劣，表1详细比较了不同技术所设计的RTC模块的特点。

表1 不同RTC技术特点对比

3 智能电表RTC技术展望

3.1 MEMS振荡器

随着MEMS器件成本的下降，其易于集成和频率可调的优势会越来越明显，随着工艺的进步，MEMS振荡器的频率稳定性会进一步突出，将成为晶体振荡器的有利挑战者，同时基于MEMS振荡器的RTC应用将越来越多。

3.2 具有补偿结构的张弛振荡器

张弛振荡器作为基本的模拟振荡器，尚存在受温度和工艺影响偏大的问题，目前对其RTC应用的精度不高，如果需要达到智能电表的目标精度，还需要对振荡器精度进行改进,以达到高精度的时钟输出。

3.3 脱离RTC模组的其他智能电表授时机制

随着电表的应用越来越多，其中包括载波模块在内的通信模块也将越来越多，通信精度带来的信号延时误差将被缩小，将能够达到足够高的计时精度，此时通过多次调取授时中心的时间，将能够满足电表对高精度时钟的需求，所以以其他模块代替RTC也是十分可行的。

4 结论

基于目前智能电表对实时时钟的基本技术需求，对高精度以及低功耗RTC模块的要求是较为苛刻的，所以目前主流技术还是会采用晶体振荡器或MEMS振荡器设计，这在主流技术中占据了主导地位，从智能电表市场上也得到了相应的反应。相对于晶体振荡器技术的成熟，MEMS振荡器有其易于封装生产的特点，但是其温度特性相对于晶体振荡器对电路部分提出了更高的要求，这同时也是一个技术门槛，在将来的RTC设计中，MEMS器件的成本将会进一步下降，同时随着技术的发展，其应用也将越来越为广泛。

张弛比较器等纯微电子技术的RTC对研究者的诱惑力是非常大的，因为这将抛弃独立元器件，真正在CMOS工艺中直接设计制造出RTC模块来，其成本在未来最有优势。但是目前大多处于对张弛振荡器实时时钟技术的研究阶段，对于比较器以及外围电路的补偿与RTC电路低功耗的要求背道而驰，如何对电路进行优化并找到合适的技术突破点将是这种方案面临的最大难题，这将是未来实时时钟技术的一个重要方向。

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