資料介紹
前言
客戶反饋在批量生產階段,發現部分產品的MCU的RTC在低溫(0℃)下工作不正常,但是在常溫下又是正常的,且其他正常的MCU的RTC在常溫與低溫下都是正常的。
問題跟進
通過與客戶郵件溝通,了解到客戶使用的MCU型號是STM32F030C6T6TR。在產品的主從結構中主要用作電源管理和時鐘管理。通過客戶的描述,似乎相同型號不同片子都存在較大的差異。
由于時間緊急,在了解到初步信息后拜訪客戶,針對客戶認為有問題的MCU芯片做針對性試驗。通過STM32CubMx生成測試工程,分別使用LSI(40K),LSE(32.768K),RTC工作時每秒通過LED1(PB5)取反一次(通過LED1燈是否閃爍來指示RTC是否工作正常),然后分別測量OSC管腳與PA8腳(輸出LSI或LSE),并對比ST官方的NUCLEO-F030板,最終測試結果如下:
1、當使用LSI時,無論常溫還是低溫下都能正常工作。
2、當使用LSE時,常溫下能正常工作,但在低溫(0℃)時,RTC不再工作(LED1停止閃爍),且PA8管腳無輸出,但保持為高電平,且此時OSC管腳此時是存在32.768K的波形的。
3、通過修改負載電容C1&C2的電容值從5.1pF修改到6.8pF時,原本低溫下不工作的RTC又能恢復正常工作。
4、對比ST官方的NUCLEO-F030板子,在常溫與低溫下均能正常工作。
從測試結果來看,通過修改負載電容的方式能讓原本不能正常工作的RTC恢復正常工作,這個似乎為客戶的負載電容不能精準的匹配系統的原因所致。
但客戶對于這個做法不接受的,理由是現在設計的負載電容5.1pF是通過測試后的值,精度可以達到6.5ppm,但如果改為6.8pF,那么精度將會變到大約30ppm,這個會影響到MCU的RTC的時間精準度,系統在長時間運行后,時間必然會偏差很大,超出設計合理范圍,這個是不允許的。
問題分析
既然客戶不接受修改負載電容,那么首先我們重新梳理下客戶的晶振設計各種參數是否準確,客戶的LSE電路設計如下所示:
如上圖,圖中的MR10 10Mohm這個反饋電阻在實際電路中是沒有加的,晶振使用的是TXC的,從晶振廠商提供的數據手冊中得到相關參數如下:
再者,由于客戶代碼中使用的LSE drive配置的是最高等級,從下圖芯片對應的數據手冊中可以找到對應的gm值為25uA/V,此時的驅動電流為1.6uA:
前面提到過AN2867這個文檔,我們打開這個文檔,在3.4節,發現有這個要求:
也就是要求gain margin的值要求大于5,這樣晶振才能正常起振,那么gain margin又是如何計算的呢?接下來找到gainmargin 的計算公式,如下:
其中gm就是圖4中從數據手冊中提到的跨導值,STM32F030 LSE的不同驅動等級對應著不同的gm值,由于我們的測試代碼使用的是CubeMx自動生成的代碼,其默認使用的是最高等級,且客戶使用的也是最高等級,因此,這個得出的gm值為25 uA/V, gm有了,那么上面公式中的gmcrit又該如何計算,我們接下來找到它的計算公式,如:
通過晶振對應參數,我們可以得出:
ESR =70KΩ,C0 =1.0pF, CL =7.0pF, 而F就是LSE的頻率,為32.768KHz.
于是:
g_mcrit =4 * 7E4 *POWER(2*PI()*32768,2) * POWER ((1.0E-12 7.0E-12),2) =7.6E-07
最終得到:
gain_magin =gm/g_mcrit=2.5E-05/7.6E-07 =32.89
這個值是遠大于5,因此,理論上不會存在晶振不起振是的問題,實際上當在低溫下,之前在測試中也有發現晶振也是有起振,有波形輸出的,只不過PA8腳沒有波形輸出,那個又是什么問題呢?
最終定位到LSE的驅動等級過高,在AN2867這個文檔中,有這樣的描述:
也就是說,在STM32F0和STM32F3中,當使用最高驅動模式(gm_crit_max=5uA/V, 見Figure9gm_crit_max)時,對應地應該只使用在CL=12.5pF的晶振上,以此避免振蕩回路飽和,從而導致啟動失敗。若此時使用了一個較小的CL(如CL=6pF),那么會導致振蕩頻率不穩定和工作周期可能被扭曲。
AN2867隨后給出了一張表,列出了驅動等級與gm_min、gm_crit_max的關系,如下:
如上圖,對于STM32F0,當使用最高驅動模式High時,此時的gm_min=25 uA/V,這個與數據手冊中是一致的,另外gm_crit_max=5uA/V,正是上面所描述的。
也就是說,在使用最高驅動模式下,此時與之對應的CL應該使用12.5pF,而客戶所使用的CL是7pF,這個與手冊AN2867的建議內容是不相符的。從圖4可以看出,在最高驅動等級模式下,此時驅動電流最大(1.6uA),但這里使用了一個比較小的負載電容(CL=7pF),按AN2867所述,此時有可能導致振蕩回路飽和,振蕩不穩定,工作周期扭曲。
此時,應該對應地下調這個LSE驅動等級,減小驅動電流,這里有4檔(見Figure9):Low,Medium Low,Medium High,High. 目前使用的是High,正是它出了問題,為保守起見,使用Medium High相對合適。
如上圖,將LSEDRV[1:0]這兩個為修改為10即可,將原先低溫下RTC有問題的MCU芯片修改后再次放到低溫下進行驗證,測試結果為正常。由于此問題是部分芯片有可能會出現的問題,客戶需要對修改后的芯片進行持續跟蹤,至今沒有再反饋出現過此問題,由此,此問題基本解決。
總結
AN2867這個文檔總結了關于STM32晶振匹配方面的信息。里邊有提到,負載電容CL值越大,所需的驅動電流也就越大,但牽引度越小。這也就解釋了表1中通過增大C1&C2的電容值,原本出現問題的RTC能恢復正常的現象,這是由于C1&C2的電容值變大將導致負載電容CL變大,進而對應所需的驅動電流也就跟著增加,這反而減少了在高驅動模式情況下振蕩回路出現飽和的機會。
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