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爱普生RA8900CE高精度时钟芯片的使用注意事项

在快节奏的现代社会，时间变得越来越宝贵。对于时钟的电子设计，高精度且低功耗逐渐成为主流。我们就有一个汽车显示屏的时钟显示项目，要求时钟一天的误差控制在1s以内。要想达到此要求，则必须满足晶振的频率偏差PPM<1/60/60/24*1000*1000=11.574ppm，对于如此高的要求，我们决定采用爱普生的车载实时时钟RA8900CE。
 
以前我们RTC的解决方案是使用无源晶振，通过软件算法实现时间显示。使用无源晶振时需要CPU支持，且由于时间计数要一直运行，导致整机待机功耗增加。如果使用集成的RA8900CE，则仅需主机工作时提取RA8900CE内部寄存器的数据，通过IIC通信实现时钟显示，这样不仅降低了待机功耗，也减少了软件的工作量，大大缩短了产品的开发周期。另外，无源晶振的偏差会随着温度的变化而变化，这就会导致时钟显示的精度在冬天和夏天不同，最严重时，时钟一天的偏差可以达到8.6S，用户会很容易发现时钟显示的精度有问题，严重影响用户的使用体验；而使用RA8900CE时，无论是冬天还是夏天，时钟一天的偏差始终保持0.5S以内，用户轻易不会发现时钟的精度有异常，用户的使用体验比较好。
 
RA8900CE符合AEC-Q200认证标准，是一颗集成32.768KHz晶体单元的高精度DTCXO，全温度范围频率偏差为5ppm，工作电流十分低，仅为0.7uA/3V（Typ.）。
 
而且，RA8900CE支持高达400Khz的IIC通信，接口电压支持2.5V~5.5V。最主要RA8900CE的封装仅为2.5mm*3.2mm，小封装有利于PCB走线，方便我们把RA8900CE放置在MCU附近，大大降低了PCB布线难度。因此，其既满足晶振要求又降低了PCB布线难度，可谓是一举两得。
 
问题总揽
 
增加RA8900CE芯片后，我们发现样品初次上电后，DAB芯片无法和MCU正常通信。样品的电路框图如下图所示：
 
图1：汽车显示屏的时钟显示电路框图
 
问题分析及解决
 
样品初次上电，DAB芯片无法和MCU正常通信。这是个富有挑战的问题，为了探究原因，我们采用排除法的思考方式，分析如下：
 
图2：问题分析
 
首先，要锁定导致问题的模块。我们先确认DAB上电时序，如图3所示，DAB芯片对上电时序有要求，即接口电源DVDDIO一定要在主电源VBAT之后上电。可是，我们测试后发现DVDDIO提前于VBAT上电，进而导致DAB通信异常。导致DAB通信异常的原因找到了，但是，究竟为何上电时序会不满足？
 
我们设计的DAB电源如图3所示，通过MCU控制5VSW和3.3VSW，保证5VSW提前与3.3VSW上电，理论设计完全满足DAB上电时序要求。但是，为何实际情况和理论设计的情况相差甚远？
 
图3：DAB上电时序
 
通过测量电源时序，最终我们发现是由于追加的RA8900CE芯片，在初始上电阶段导致电源串电，3.3VSW电源跟随3.3VMEM提前上电，导致不符合DAB上电时序要求。
 
RA8900CE的内部电路如图4所示，为了防止3.3VSW没电时，发生串电现象，我们设置RA8900的寄存器地址为：VDETOFF,SWOFF=(1.1)，这样设置是保证RA8900CE内部VDD和VBAT之间的开关永远保持关断状态。但是机器第一次上电的时候，RA8900CE的寄存器为默认值，而我们的软件只有在MCU起来后才可以设置RA8900CE的寄存器地址为：VDETOFF,SWOFF=(1.1)。这样，就会导致有一段时间VBAT和VDD直连，导致3.3VSW电源跟随3.3VMEM提前上电，进而导致DAB和MCU通信异常。
 
图4：RA8900CE的内部电路
 
知道了问题的根本原因，找到解决方案就变得很容易。由于RA8900CE工作时VDD电源消耗的最大电流是1.45uA，电流消耗非常小，因此我们决定采用VDD和VBAT共用一个电源的方案，即都使用3.3VMEM电源。如此一来就根本的解决了串电问题，进而保证了DAB的上电时序，解决了DAB和MCU无法通信的问题。
 
问题总结
 
简而言之，忽略了RA8900CE的寄存器设置条件，导致初始上电时DAB上电时序异常，最终导致DAB无法通信。虽然我们解决了此问题，但是如果从设计源头开始就注意RA8900CE寄存器的设置条件，则会从根本上杜绝此类问题的发生。电子设计容不得一点马虎，常常差之毫厘谬以千里，希望我的经历能给使用RA8900CE芯片的小伙伴们提供帮助，防微杜渐，不要让类似的问题再次发生。
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