什么是实时时钟（RTC）芯片？
在本文中，我们将解释 RTC 的作用以及哪些类型的系统需要外部 RTC ，重点介绍 NXP 的RTC 模块产品，该产品具有最低的电流消耗和最高的计时精度。
使用外部 RTC 有以下优点：1）由于功耗较低，电池寿命更长；2）时间管理更精确；3）系统可靠性更高；4）通过附加功能提高安全性。
在文章的最后，我们还将介绍一个评估环境 （电路板+软件）， 让您可以立即试用RTC 。
图 1：RTC = 时钟和日历集成到系统中
时钟 + 日历
许多家用电器和小工具都具备显示时钟的功能。这些设备内置的时钟不仅用于显示当前日期和时间，还用于多种用途，例如作为定时器自动开关机，以及记录日志以进行调试和系统管理。
这种时钟功能是通过称为实时时钟( RTC ) 的电路实现的，该电路可以内置于微控制器或处理器中，也可以通过外部 RTC 芯片实现。
RTC 使用其自身晶体振荡器产生的时钟来计时。通过计数器对该时钟进行计数，即可得出当前时间和日期[图 2]。
图2：实时时钟 (RTC) 内部结构。晶体、振荡器、计数器和接口
实时时钟（RTC）内置于微控制器和处理器中。
许多微控制器和处理器在其芯片中内置了 RTC 电路[图 3]。
只要这些微控制器或处理器获得电源，即使芯片处于睡眠或断电等非活动状态，RTC 也会继续更新指示当前时间和日期的值（计数器值） 。
这些功能使系统能够在设定的日期和时间准确启动，或者准确记录 RTC 电路断电期间发生的事件的时间。
图 3：内置于微控制器中的 RTC（例如： MCXN94x/MCXN54x ）
保持 RTC 运行：功耗
例如，要实现定时开关电源的功能，设备必须能够在设定的时间操作电源开关。因此，设备内部必须持续记录时间信息，并且必须有机制确保实时时钟（RTC）不会断电。
为了使实时时钟 (RTC)在主电源关闭时也能运行，必须始终由电池供电。如果设备没有电池，则应为 RTC 提供备用电源，例如纽扣电池或超级电容器[图 4]。
由于实时时钟 (RTC) 会不断消耗电池电量，因此降低电流消耗非常重要。
图 4：RTC 评估板示例。PCF2131/PCA2131 Arduino ® Shield 评估板包含一个内置纽扣电池作为备用电源。
时间重新同步：时间精度
启动实时时钟 (RTC) 时，必须设置当前时间。此初始设置可确保 RTC 保持正确的当前日期和时间。如果不进行初始设置，RTC 将继续更新自其重置时的默认日期和时间以来经过的时间。
当前日期和时间可以由用户手动设置（通过按按钮等），也可以通过网络与 NTP 服务器自动同步，或者与 GPS同步。
初始设置完成后，即使主电源关闭，只要实时时钟 (RTC) 继续通电，它就会使用自身的时钟持续更新时间。该时钟的精度决定了时间的精度。时钟精度受多种因素影响，主要因素包括晶体振荡器的精度、振荡器电路的匹配度以及温度。
如果设备频繁开机且每次都能重新同步时间，则可能不需要高精度。但是，如果设备长时间关机，或者系统无法访问 GPS 或时间服务器，则需要一个精度满足系统要求的实时时钟 (RTC) 。
使用外部实时时钟的优势
如果您正在构建的系统使用微控制器或处理器内置的 RTC 就能正常工作，则无需使用外部 RTC芯片。
但是，如果您需要最大限度地延长电池寿命或保持准确的时间，则需要外部 RTC [图 5]。
使用外部实时时钟有四个主要优点。让我们一起来看看。
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优势一：延长电池寿命（降低整个系统的功耗）
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优势二：精准的时间管理
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优势三：可靠性提高
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优势 4：附加功能
优势一：延长电池寿命（降低整个系统的功耗）
对于内置于微控制器/处理器中的实时时钟
微控制器和处理器的设计和优化都针对其主要功能：控制和计算能力。这种优化也包括功耗优化，从而提高处理效率。
这些芯片还具有“睡眠”和“关机”模式，旨在通过仅在不需要处理时保持必要的功能来降低电流消耗。
例如，恩智浦半导体最新的MCX系列微控制器具有“深度掉电”功能，此时仅保持内置实时时钟（RTC）运行。此时的电流消耗因芯片型号而异。易于使用的通用微控制器MCX-A系列功耗仅为几百纳安，而处理能力更强的MCX-N系列则功耗为微安级。这些例子中的电流值可以说“相当低”，但如果需要更低的功耗，则需要使用外部RTC。
使用外部实时时钟
另一方面，RTC 芯片的电流消耗因产品而异，例如，电流消耗最低的PCF2131的电流消耗为65nA 。
图 6 显示了上述微控制器/处理器在当前功耗和掉电模式下的对比。这种差异有助于延长电池寿命。
即使不需要更长的使用寿命，较小的电池也能节省空间，使设备更小，并降低成本。
图 6：维持 RTC 运行所需的流动比率（与我公司相比）
优势二：精准的时间管理
实时时钟 (RTC) 的计时基于 32.768kHz 的振荡器。振荡器频率的偏差会导致精度下降。造成精度下降的主要因素是晶体振荡器和振荡器电路的变化，以及温度的变化。
对于内置于微控制器/处理器中的实时时钟
微控制器/处理器内置的实时时钟 (RTC) 所使用的振荡频率精度通常约为 ±100 ppm。这 ±100 ppm 表示 32.768 kHz 频率的偏差量，直接对应于“时钟提前/延迟”。顺便一提，如果将这 ±100 ppm 转换为月差，则为：
±100 * 10 -6 [精度] * 60 [秒] * 60 [分钟] * 24 [小时] * 31 [天] = ±259.2 [秒]
这意味着一个月内可能会有最多四分钟的增减。
除非系统经常开启并且每次都能重新同步时间，否则可能会出现如此大的差异。
使用外部实时时钟
根据所需的精度，外部实时时钟 (RTC) 可从多种型号中选择，包括内置晶体振荡器的模块化型号和内置温度补偿电路的型号。恩智浦 (NXP) 最精确的 RTC 是PCF2131 ，它是一款内置晶体振荡器和内置温度补偿电路的模块化型号，在 -40°C 至 +85°C 的整个工作温度范围内，可保证 ±3 ppm （典型值） （月误差 ±7.8 秒）的精度 [图 7] [图 8]。
对于仅使用实时时钟芯片的产品，精度取决于所使用的外部晶体振荡器。恩智浦的实时时钟产品允许您通过软件微调时钟频率。
图 7：RTC 模块内部结构：PCF2131、PCA2131
图 8：PCF2131 RTC 模块的温度补偿。单晶单元的振荡频率特性随温度呈抛物线变化。
优势三：可靠性提高
如果外部实时时钟具有与系统电源分开的备用电源（例如纽扣电池），则可以保护时间信息免受系统复位和断电的影响，从而提高系统可靠性。
优势 4：附加功能
一些外部实时时钟 (RTC) 具有附加功能。例如，PCF2131 和 PCF85263A 等型号具有时间戳功能，可在 RTC 使用备用电源运行时记录事件。这使得 RTC 能够在主电源关闭时记录诸如设备外壳的打开和关闭等事件，从而方便现场维修和增强安全功能。
时钟输出也是一项可选功能。某些产品可以输出分频至 32.768 kHz 的时钟信号。许多具备此功能的产品允许用户将频率（分频比）设置在 32.768 kHz 到 1 Hz 之间。
中断也是一项可选功能。您可以选择每秒或每分钟生成周期性中断、设置警报，甚至为事件添加时间戳。利用这些功能，您可以创建根据需要唤醒系统的函数。
外部RTC类型
恩智浦提供种类丰富的外部实时时钟 (RTC)。您可以在恩智浦产品选择器页面找到理想的 RTC。该页面详细介绍了各种选项，包括模块或分立芯片、接口类型以及适用于汽车应用的功能。
晶体振荡器内置模块型（高精度、低功耗）
在 RTC 产品中，精度最高、功耗最低的产品是PC F 2131 （一款内置石英振荡器的模块产品）和PC A 2131 （一款具有相同功能的汽车级产品）。
两款产品的工作温度范围均为-40°C至+85°C，精度为±3ppm （典型值） ；而车规级版本具有更宽的温度范围，在85°C至105°C范围内保证精度为±8ppm （典型值） 。非车规级PCF2131在3.3V电源下功耗为65nA （典型值） ，而车规级PCA2131功耗为106nA （典型值） 。
在带有外部晶体振荡器的产品中，有PCF85063TP ，它只有最基本的功能，但也有一些产品具有各种附加功能[图 9]。
图 9：PCF85063TP 内部寄存器：由于其功能仅限于最基本功能，因此寄存器大小仅为 11 字节。其中，4 字节用于控制和状态监控，其余 7 字节提供日期、星期、小时、分钟和秒等信息。
连接方式（I²C、SPI）
微控制器和处理器之间的连接可通过I²C或SPI串行总线实现。部分产品允许用户在 I²C 和 SPI 之间切换，而其他产品则根据型号固定在其中一种模式。
无论哪种情况，微控制器/处理器都通过寄存器读取控制信息和日期/时间信息。除了串行总线之外，一些设备还具有中断信号输出，根据产品的不同，可以使用一个或两个中断输出。
汽车级兼容（符合AEC-Q100标准）
恩智浦半导体提供消费级实时时钟 (RTC) 以及通过AEC-Q100认证的车规级版本。您可以在我们的产品选择页面找到这些版本。
图 10： RTC 产品选择器页面
我们来试试吧！
图 11：支持 RTC 的 Arduino ®扩展板评估板：PCF2131-ARD、PCF85063TP-ARD、PCF85063AT-ARD 和 PCF85263ATL-ARD
恩智浦提供多种评估板，包括实时时钟（RTC）评估板，方便您立即试用每款产品。对于实时时钟，我们提供一款Arduino ®扩展板，可与各种恩智浦微控制器评估板配合使用进行评估。
此外，我们还分发了与 Arduino ® UNO 系列及其他设备兼容的开源 Arduino ®示例程序/类驱动程序。同时，我们也提供与各种微控制器兼容的 MicroPython 代码。
有关 RTC 兼容的 Arduino ®扩展板评估板的详细信息， 请参阅 本文底部附件中的 Arduino Shield Introduction Document-20250227.pdf 。
图 12：“ Arduino Shield Introduction Material-20250227.pdf ” 第 4 页
参考资料
更新日志：
2025年3月3日：第一版
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（如果您已经是恩智浦的分销商或与恩智浦有合作关系，您可以直接询问负责人。）
不仅市面上有很多实时时钟 (RTC) 芯片可供选择，而且微控制器和处理器也内置了该功能。
在本文中，我们将解释从“什么是RTC？”到“使用外部RTC芯片而不是内部RTC有什么好处？”以及“应该如何选择它们？”等所有内容。