在工業溫度範圍內保持當日時間的設備和方法
2023-06-09 08:30:11
專利名稱：在工業溫度範圍內保持當日時間的設備和方法
技術領域：
本發明總地涉及實時時鐘電路，並且更具體地，涉及在實時時鐘電路中採用兩個振蕩器以在電子應用的工業溫度範圍內生成準確的當日時間(time of day)的方法、系統和裝置。
背景技術：
在計算機和嵌入式系統中，當日時間通過實時時鐘(RTC)電路來追蹤。除了主電源之外，RTC電路還需要通常為鋰電池的次電源來在主電源停止使用時繼續追蹤當日時 間。RTC電路的核心是具有為32. 768kHz的典型共振頻率的晶體振蕩器。這樣的晶體振蕩器也被用在石英鐘錶和手錶中，因此該振蕩器中的特定晶體也被稱為「表晶體(watchcrystal) 」。由於這種表晶體每秒生成215個時鐘周期，所以基於表晶體的RTC電路可以使用用於各種電子應用中的二進位計數器電路被容易地實現。此外，表晶體需要可以由主電源和次電源這二者容易地維持的低功率消耗。一些電子應用會對RTC電路提供的時間測量的準確度提出嚴苛的要求。例如，在電子功率計中，對當日時間的準確度規格是這樣的，從而在室溫(25°C )下一日之內的時間漂移需要小於5. 78ppm(即，0.5秒/日)，而在[_25°C，60°C ]的工業溫度範圍內則需要小於11.57ppm(即，I秒/日)。這些準確度規格在各種電子裝置中都被採取，並且一些裝置甚至要求一日之內的當日時間漂移的後一規格(11. 57ppm)被應用到[_40°C，85°C ]的更廣泛的溫度範圍。為保持高度準確的當日時間，振蕩電路需要補償由表晶體造成的溫度漂移。表晶體通常以音叉結構構建。表晶體的共振頻率(32. 768kHz)在翻轉溫度(turnovertemperature) Tt處達到峰值，並且隨著溫度增加或減少而下降，導致顯著的平方誤差。該誤差ERR⑴可以被表徵為ERR(T) = A+Q (T-Tt) 2ppm (I)其中A是以ppm為單位的初始誤差容限，而Q是以ppm/°C 2為單位的平方係數。針對Tt和Q的一般的加工限值分別為25°C ±5°C和-0. 036ppm/°C 2±10%。因為頻率是時鐘周期時間的倒數，所述共振頻率的漂移等於當日時間的漂移，並且頻率漂移因而可以被用來表徵與特定RTC電路相關聯的當日時間的漂移。圖IA圖示說明各種表晶體中的共振頻率100的誤差。曲線102與標稱表晶體相關聯，而曲線104-106以及曲線108-110與翻轉溫度Tt的兩種拐轉情況(corner case)相關聯。針對Tt的每種拐轉情況，平方係數Q的兩種拐轉情況也都被呈現。具體地，在具有大平方係數Q的表晶體中，在_25°C，誤差高達-120ppm。如果針對共振頻率的誤差容限為[-lOppm，IOppm]，那麼大多數表晶體只可以在比上述工業溫度範圍中的任一個都要小得多的溫度範圍內工作。常規的方法是將溫度測量電路集成在振蕩電路中，並且將共振頻率補償到室溫(接近Tt)下的標稱值。圖IB圖示說明參照標稱表晶體的各種表晶體中的共振頻率的溫度補償的誤差150。由於溫度補償，標稱表晶體具有Oppm的固定誤差(flat error)，並且因此在25°C的初始誤差被修正到零。曲線154-156以及曲線158-160與翻轉溫度Tt的兩種拐轉情況相關聯。因此，共振頻率的溫度補償的誤差在_25°C降到30ppm之下，而這仍高於前面提到的Ilppm的要求。因此,為滿足Ilppm規範,表晶體必須被各別地特徵化(individuallycharacterized),從而溫度補償電路可以被適當地程控。
發明內容
本發明總地涉及在電子應用中生成當日時間的集成電路。本發明的各種實施方案提供將兩個振蕩器集成在一個實時時鐘電路中以在工業溫度範圍內生成準確的當日時間 的系統、裝置和方法。採用主振蕩器來生成第一高精度時鐘，而該第一高精度時鐘具有更高頻率並且消耗更多功率；採用次振蕩器來生成第二時鐘，該第二時鐘具有低頻率並且消耗更少的功率，但該第二時鐘可能不會滿足時間準確度需求。當實時時鐘被提供有充足功率(MSN模式)時，當日時間通過主振蕩器被持續地追蹤，但是當實時時鐘由電池供電(SLEEP(休眠)模式)時，在該主振蕩器以更新頻率被接通來補償當日時間中的誤差的同時，當日時間通過次振蕩器追蹤。本發明的一個方面是實時時鐘中的精密保時(time keeping)電路。該精密保時電路包括主振蕩器、次振蕩器、補償電路、保時計數器以及主振蕩器的溫度補償電路。補償電路還包括XCLK累加器、更新啟用生成器以及比較器邏輯部件。無論功率模式如何，XCLK累加器都對主時鐘周期的等值數(equivalent number)計數至預定數XSEC,以啟用針對保時計數器的一秒控制。然而，在功率敏感SLEEP模式下，XCLK累加器以次時鐘周期進行計數。出於校準的目的，主時鐘在每個更新周期被接通，並且由次時鐘造成的時間誤差此後被補償。本發明的另一方面是在MSN和SLEEP這兩種模式下，在工業溫度範圍內準確地追蹤當日時間的方法。在MSN模式下，主時鐘周期被直接累加來追蹤當日時間。在SLEEP模式下，在每個次時鐘周期內等值主時鐘周期數被累加。校準以更新頻率被實現來補償與次時鐘相關聯的時間漂移。儘管針對次時鐘的該校準過程僅用在SLEEP模式下，另一校準在兩種功率模式下都是可應用的，以更新與一秒內主時鐘周期的總數相關聯的數XSEC。本發明的特定特徵和優點已經在本「發明內容」部分中被整體地描述；然而，附加特徵、優點和實施方案在本文中被呈現，或者這些附加特徵、優點和實施方案對本領域的普通技術人員來說，在閱讀本發明的附圖、說明書和權利要求書的基礎上將會是明顯的。因此，應當理解的是，本發明的範圍不應受在本「發明內容」部分中所公開的特定實施方案的限制。
將參照本發明的實施方案，本發明的實施例可以在附圖中被圖示說明。這些附圖意圖為示例性的，而不是限制性的。儘管本發明在這些實施方案的上下文中被整體地描述，應當理解的是，不意圖將本發明的範圍限定到這些特定實施方案。圖IA圖示說明各種表晶體中的共振頻率的誤差。圖IB圖示說明參照標稱表晶體的各種表晶體中的共振頻率的溫度補償的誤差。圖2圖示說明根據本發明的各種實施方案的實時時鐘電路中的精密保時電路的示例性框圖。圖3圖示說明根據本發明的各種實施方案的精密保時電路中的補償電路的示例性框圖。 圖4圖示說明根據本發明的各種實施方案的在MSN和SLEEP這兩種功率模式下每秒追蹤準確的當日時間的方法。
具體實施例方式
本發明總地涉及在電子應用中生成當日時間的集成電路。本發明的各種實施方案提供將兩個振蕩器集成在一個實時時鐘電路中以在工業溫度範圍內生成準確的當日時間的系統、裝置和方法。在隨後的說明書中，出於說明的目的，為提供對本發明的理解，闡述了具體細節。然而，對本領域的技術人員來說將會是明顯的是，本發明無需這些細節也可以被實踐。本領域的技術人員將意識到的是，下面描述的本發明的實施方案可以以各種方式並且使用各種結構來實現。本領域的技術人員還將意識到的是，附加的修改、變通和實施方案在本發明的範圍內，作為本發明可以提供使用的附加領域。因此，下面描述的實施方案是本發明實施方案的示例說明，並且旨在避免混淆本發明。說明書中對於「一個實施方案」或「實施方案」的引用意味著結合該實施方案描述的特定特徵、結構、特性或功能被包括在本發明的至少一個實施方案中。在說明書的各個地方出現的短語「在一個實施方案中」、「在實施方案中」等不必全部指代同一實施方案。此外，附圖中部件之間或者方法步驟之間的連接並不限於是通過直接的方式起作用的連接。相反，在不脫離本發明的教導的情況下，附圖中圖示說明的部件之間或者方法步驟之間的連接可以被修改或者通過添加到其中的中間部件或方法步驟而被改變。在電子應用中，當日時間在兩種功率模式(MSN(任務)模式和SLEEP(休眠)模式)下被一致地追蹤。在MSN模式下，採用主電源並且功率/電流需求是相當靈活的，而在SLEEP模式下，使用次電源(很可能是電池)並且功率消耗不得不被抑制為低水平。在MSN和SLEEP這兩種功率模式下，本發明的各種實施方案滿足針對當日時間的比表晶體可以容易地滿足的常規要求更嚴苛的準確度要求。當日時間要求的一個實例是在室溫(25°C )下一日之內的時間漂移小於5. 78ppm(即，0.5秒/日)，並且在[_25°C，60°C ]的工業溫度範圍內小於11. 57ppm(即，I秒/日)。在本發明的各種實施方案中，兩個振蕩器被集成在實時時鐘電路中，以在MSN和SLEEP這兩種模式下在工業溫度範圍內生成準確的當日時間。在MSN模式下，功率預算不是那麼的關鍵，因此高精度主振蕩器(例如，AT-⑶T型晶體振蕩器)儘管其潛在的大功率消耗仍可以被應用來追蹤當日時間。然而，在SLEEP模式下，功率預算更加關鍵，低功率的次振蕩器優選來替換主振蕩器。次振蕩器可以是可能不會滿足當日時間要求的相對粗的(coarse)振蕩器，但是其消耗少得多的功率。已有的主振蕩器可以被應用作為校準振蕩器，以特定校準/更新頻率被導通來補償由次振蕩器引入的時間誤差。在某些簡單的實施方案中，更新頻率可以是固定的或者是指定的，而更複雜的實施方案可以基於被認為是次振蕩器中漂移的預測的參數自動地改變更新頻率。圖2圖示說明根據本發明的各種實施方案的實時時鐘電路中的精密保時電路的示例性框圖200。精密保時電路200包括AT晶體202、XOSC振蕩電路204、次振蕩器206、補償電路208以及保時計數器210。AT晶體202被應用作為主振蕩器。XOSC振蕩電路204耦合到AT晶體202並且生成第一時鐘信號XCLK。次振蕩器206生成第二時鐘信號ACLK。補償電路208耦合到XOSC振蕩電路204和次振蕩器206這二者，並且生成每當經過精確的一秒時被啟用的一秒控制CKlHz。保時計數器210耦合到補償電路208，並且基於一秒控制CKlHz追蹤當日時間。AT-⑶T型晶體202被用作主振蕩器。AT-⑶T型晶體202除了沿不同的晶體取向 被切割，其與表晶體共用同一源晶體(source crystal)。AT晶體202固有地具有比表晶體更好的準確度，並且在[-20°C，70°C ]的溫度範圍(幾乎與[_25°C，60°C ]的工業溫度範圍重疊)內共振頻率的漂移少於± lOppm。AT-⑶T型晶體202的缺點在於其操作在比表晶體更高的頻率，因此消耗更多的電流。在特定實施方案中，表晶體振蕩器以32. 768kHz運行並且需要少於IuA的電流，而AT晶體振蕩器以16MHz運行並且會需要IOOiiA的電流。因此，在由電池供電的RTC電路中，當主電源被關閉(即，SLEEP模式)時，儘管AT-⑶T型晶體202在工業溫度範圍內的合乎期望的精度，其仍無法被持續地使用。次振蕩器206可以為表晶體振蕩器或者自包含的(self contained) CMOS振蕩器，例如張弛振蕩器或者RC振蕩器。RC振蕩器可以為相移振蕩器、環形振蕩器或文氏橋振蕩器。儘管次振蕩器通常需要低驅動電流並且消耗少量功率，其會與相對低的準確度相關聯。在特定實施方案中，表晶體振蕩器僅可以需要1-2 PA的驅動電流，同時時間誤差在-25 V可以達到_120ppm，即使應用溫度補償電路，在-25°C時的誤差仍會達到30ppm。為處理該準確度問題，主時鐘可以被用來校準次振蕩器和補償所造成的時間誤差。精密保時電路200還可以包括XOSC溫度補償電路212。電路212測量溫度和確定用於校準所需要的補償量的參數。一秒之內的XOSC時鐘周期數(XSEC)從溫度和用於補償由溫度漂移引入的時間誤差的參數獲得。補償所涉及的參數可以包括線性係數、平方係數和立方係數。當電路最早被集成時，這些參數可以根據各種晶體振蕩器被預定，並且可以是使用每個專用AT晶體振蕩器的熔絲或一次性可編程(OTP)存儲器可編程的。因此，XOSC溫度補償電路212可以確保在[_25°C，60°C]的工業溫度範圍內的高保真第一時鐘信號XCLK的輸出。在特定實施方案中，AT晶體振蕩器具有可忽略的溫度漂移，而可以不需要XOSC溫度補償電路212。在兩種功率模式(MSN或SLEEP)下，涉及AT晶體振蕩器和次振蕩器這二者，只是方式不同。在MSN模式下，AT晶體振蕩器是持續有效的，通過對與第一時鐘信號XCLK相關聯的時鐘周期計數，來追蹤當日時間。次振蕩器可以被頻繁地接通來檢驗第二時鐘ACLK的準確度。當功率模式被切換到SLEEP模式時，次振蕩器是持續有效的，通過對與第二時鐘信號ACLK的每個周期相關聯的等值XCLK時鐘周期計數，來追蹤當日時間。AT晶體振蕩器被頻繁接通來識別自上一校準以來累加的時間誤差，因此通過補償電路208補償時間誤差。圖3圖示說明根據本發明的各種實施方案的精密保時電路中的補償電路的示例性框圖300。補償電路300耦合到兩個振蕩電路OSC 302和XOSC 304，這兩個振蕩電路分別提供低頻率時鐘和高頻率時鐘。在一個實施方案中，OSC電路302被耦合來接收多位頻率修正控制AN，以生成在200kHz的範圍的10%的時鐘，而XOSC 304基於AT晶體並且生成4MHz的頻率。在特定實施方案中，由振蕩電路302和304生成的時鐘直接被補償電路300用作ACLK和XCLK。在特定實施方案中，在用於補償之前，200kHz的時鐘頻率可以通過12K分頻器306被進一步降低到16Hz，並且16MHz的時鐘頻率可以通過4分頻的分頻器308被降低到4MHz。分頻器308和308這二者可以被實現在數字計數器中。具體地，分頻器306被用來以校準時間為代價改善XNUM的精度，而分頻器308被用來以XNUM精度為代價改善MSN模式下的功率消耗。表I列出除XCLK和ACLK以外的補償電路300的示例性輸入和輸出。A_C0UNT是 由使用者預定的多位信號，以限定兩次連續校準/更新之間的次時鐘周期數。AN是針對時鐘ACLK的頻率修正控制。XNUM是中間信號，並且其為追蹤一個ACLK周期內的XCLK周期數的多位信號。XNUM被用在SLEEP模式下並且在MSN模式下是被忽略的。XNUM_0LD也是多位信號，其等於自上一更新以來的XNUM。XSEC是與一秒內的XCLK數相關聯的多位信號。該值標稱為是恆定的，並且當應用了 XOSC溫度補償電路時可以隨溫度進行更新。在每個上升沿，CKlHZ被生成為一秒控制，來逐秒啟用實時時鐘(RTC)中的時間追蹤。在特定實施方案中，CKlHZ在MSN模式下是精確的I秒時鐘，並且在SLEEP模式下可以以大約16Hz的速率更新。補償電路300包括更新啟用生成器310、XNUM計數器312、XNUM_0LD儲存器314、XCLK累加器316以及比較器邏輯部件318。電路300被耦合來接收ACLK和XCLK時鐘，並且生成針對隨後的保時計數器的一秒控制CKlHz。更新啟用生成器310被耦合來接收更新控制A_C0UNT並且生成更新啟用信號。XNUM計數器312被耦合來接收更新啟用、ACLK和XCLK，並且在一個實施方案中，計數器312在更新啟用的上升沿處對一個ACLK周期內的XCLK周期數(XNUM)計數。XNUM_0LD儲存器不斷被刷新來儲存來自前一更新的XNUM。信號 I 類型 I描述
更新控制信號，確定用於更新XSEC和
A.COUNT 使用者定義 XNUM的頻率。在SLEEP模式下，其還確定
___何時XOSC將被供電。_
,頻率-修正控制，在25°C，將次振蕩器的頻率 AN加工修正
___修正到 200kHz ±10% O_
權利要求
1.一種在低功率SLEEP模式下生成準確的當日時間的方法，所述方法包括以下步驟 生成第一時鐘和第二時鐘，所述第一時鐘的頻率和準確度這二者都高於所述第二時鐘的頻率和準確度，同時所述第一時鐘與比所述第二時鐘更大的功率消耗相關聯； 為用於追蹤所述第一時鐘的周期的累加數設置初始值； 在多個連續的第二時鐘周期期間，在所述多個連續的第二時鐘周期的每個中將周期數加到所述累加數，並且以更新頻率啟用所述第一時鐘來補償所述累加數，所述周期數與所述第二時鐘的周期中的所述第一時鐘的周期數相關聯；以及 當所述累加數增加超過目標數時使所述當日時間增加時間間隔，所述目標數與所述時間間隔中的所述第一時鐘的周期數相關聯。
2.如權利要求I所述的方法，其中所述時間間隔是一秒的時間。
3.如權利要求I所述的方法，其中所述第一時鐘和所述第二時鐘分別是由主振蕩電路生成的高保真時鐘和由次振蕩電路生成的粗時鐘,並且所述主振蕩電路比所述次振蕩電路消耗更多的功率。
4.如權利要求I所述的方法，其中當所述第一時鐘被啟用時，所述累加數被補償自上一補償以來已經引入的誤差。
5.如權利要求I所述的方法，其中當所述第一時鐘被啟用時，所述周期數也被校準和更新。
6.如權利要求I所述的方法，其中當所述第一時鐘被啟用時，所述目標數也被校準和更新。
7.如權利要求I所述的方法，其中所述第一時鐘由具有基本上等於16MHz的特徵頻率的AT-⑶T型晶體振蕩器生成。
8.如權利要求I所述的方法，其中所述第二時鐘由選自第一組的振蕩器生成，所述第一組由表晶體、張弛振蕩器和RC振蕩器構成，並且所述RC振蕩器進一步選自第二組，所述第二組由相移振蕩器、環形振蕩器和文氏橋振蕩器構成。
9.如權利要求I所述的方法，其中所述當日時間被追蹤來補償所述第二時鐘的頻率漂移，從而所述當日時間的準確度在不窄於[_25°C，60°C ]的工業溫度範圍內被基本上控制到 ±IOppm。
10.如權利要求I所述的方法，其中所述更新頻率大致為每分鐘一次，並且所述累加數以基本上等於每分鐘一次的頻率被補償。
11.一種根據功率預算生成準確的當日時間的方法，所述方法包括以下步驟 根據功率預算在MSN模式和SLEEP模式之間確定一模式，所述MSN模式要求比所述SLEEP模式更高的功率預算； 生成第一時鐘和第二時鐘，所述第一時鐘的頻率和準確度這二者都高於所述第二時鐘的頻率和準確度，同時所述第一時鐘與比所述第二時鐘更大的功率消耗相關聯； 為用於對所述第一時鐘的周期計數的累加數設置初始值； 根據所述模式增加所述累加數，其中在所述MSN模式下，在多個連續的第一時鐘周期的每個中，使所述累加數增加一；以及在所述SLEEP模式下，在多個連續的第二時鐘周期的每個中，使所述累加數增加周期數，並且所述第一時鐘以更新頻率被啟用來補償所述累加數，所述周期數與所述第二時鐘的周期中的所述第一時鐘的周期數相關聯；以及 當所述累加數增加超過目標數時使所述當日時間增加時間間隔，所述目標數與所述時間間隔中的所述第一時鐘的周期數相關聯。
12.如權利要求11所述的方法，其中在所述SLEEP模式下，當所述第一時鐘被啟用時，所述周期數和所述目標數這二者被校準和更新。
13.如權利要求11所述的方法，其中所述時間間隔為一秒的時間。
14.一種實時時鐘電路中的精密保時電路，所述電路包括 主振蕩器，所述主振蕩器生成第一時鐘，所述主振蕩器在MSN模式下是持續有效的，而在SLEEP模式下僅被啟用來進行校準和補償；· 次振蕩器，所述次振蕩器生成第二時鐘，所述次振蕩器在所述SLEEP模式下是持續有效的，所述第一時鐘的頻率和準確度這二者都高於所述第二時鐘的頻率和準確度，同時所述第一時鐘與比所述第二時鐘更大的功率消耗相關聯； 補償電路，所述補償電路耦合到所述主振蕩器和所述次振蕩器，所述補償電路根據所述MSN模式和所述SLEEP模式使累加數增加所述第一時鐘的多個周期，並且生成表示時間間隔的控制； 保時計數器，所述保時計數器耦合到所述補償電路，所述保時計數器在接收到所述控制時使所述當日時間增加所述時間間隔。
15.如權利要求14所述的精密保時電路，其中所述次振蕩器被耦合來接收多位加工修正，所述多位加工微調被用來程控所述第二時鐘的頻率。
16.如權利要求14所述的精密保時電路，還包括溫度補償電路，所述溫度補償電路補償由於溫度漂移造成的主振蕩器的誤差，其中根據所述主振蕩器被程控的多個參數用於校準所需的補償量。
17.如權利要求14所述的精密保時電路，其中在所述SLEEP模式下，在多個連續的第二時鐘周期的每個中，周期數被加到所述累加數，並且所述第一時鐘以更新頻率被啟用來補償所述累加數，所述周期數與所述第二時鐘的周期中的所述第一時鐘的周期數相關聯。
18.如權利要求14所述的精密保時電路其中所述第一時鐘由具有基本上等於16MHz的 特徵頻率的AT-⑶T型晶體振蕩器生成。
19.如權利要求14所述的精密保時電路，其中所述第二時鐘由選擇第一組的振蕩器生成，所述第一組由表晶體、張弛振蕩器和RC振蕩器構成，並且所述RC振蕩器進一步選自第二組，所述第二組由相移振蕩器、環形振蕩器和文氏橋振蕩器構成。
20.如權利要求14所述的精密保時電路，其中在所述SLEEP模式下，當所述第一時鐘被啟用時，所述周期數和所述目標數這二者被校準和更新。
全文摘要
本發明的各種實施方案總地涉及實時時鐘電路，並且更具體地涉及將兩個振蕩器集成在一個實時時鐘電路中以在工業溫度範圍內生成準確的當日時間的系統、裝置和方法。採用主振蕩器來生成第一高精度時鐘，而該第一高精度時鐘具有更高頻率並且消耗更多功率；採用次振蕩器來生成具有低頻率並且消耗更少功率的第二時鐘，但該第二時鐘可能不會滿足時間準確度要求。當實時時鐘被提供有充足功率(MSN模式)時，當日時間通過主振蕩器被持續地追蹤，但當該實時時鐘由電池供電(SLEEP模式)時，通過該次振蕩器來追蹤當日時間，同時該主振蕩器以更新頻率被接通來補償當日時間中的誤差。
文檔編號G04G3/04GK102759881SQ201210092070
公開日2012年10月31日 申請日期2012年3月30日 優先權日2011年3月31日
發明者B·J·懷特, N·T·哈克特 申請人:美信集成產品公司