串聯(lián)電阻導致影響RTC電池壽命分析

一、 摘要

現(xiàn)在幾乎所有的電子產(chǎn)品都帶RTC功能，因此RTC電池的壽命肯定是越長越好。

二、 問題描述

本案例是一個帶RTC功能的工業(yè)產(chǎn)品，RTC部分的供電電路如下下圖，產(chǎn)品發(fā)往市場半年以后，就提示更換RTC電池，遠遠低于設計壽命5年。

圖1；有問題的RTC電池供電電路

三、 原因分析

產(chǎn)品返回公司以后，我們更換上新的RTC電池，串聯(lián)高精度萬用表進去測量電流，發(fā)現(xiàn)RTC的工作電流高達100uA, 和我們設計的5uA有很大的差距。我們懷疑的點有：

1、二極管D3漏電流太大，設備斷電時，通過D3倒流到系統(tǒng)的電源上。

2、RTC芯片影響，原來的RTC芯片為NXP-PCF8563P，手冊描述備用電源時功耗為0.25uA；中途有更換國產(chǎn)RTC；

3、RTC電源線路上有漏電路，例如電容的漏電流

4、電阻R71影響。

我們通過排除法，先排除D3，因為去除D3，電流只減小1uA左右；接著排除RTC電源上電容等漏電流，（關注公眾號 電路一點通）因為去除電容電流依然有100uA左右。

將RTC芯片更換為NXP-PCF8563P。電流正常，大約只有4uA。接著我們換回國產(chǎn)RTC，同時將電阻更換為100R，則電流也正常，只有4uA左右。

于是我們引出兩個疑問:

（1）、RTC電源上的串聯(lián)電阻多少合適？

（2）為何串聯(lián)10K的限流電阻會導致RTC芯片不僅沒有變小，反而電流增大；

1. RTC電源串聯(lián)電阻阻值多少合適？

RTC電源上串聯(lián)的電阻阻值在網(wǎng)絡上的爭論一直在，有人說0R，有人說1K、10K等各種阻值，但是能夠理論講清楚的基本沒有。

首先我們 要明白這個電阻的目的：限流。參考各個廠商的一次性紐扣電池，以陽光動力的CR2025為例，其他品牌類似，廠家要求電池在任何情況下都不允許短路，否則有可能炸裂或者爆炸。因此，一旦發(fā)生后級短路時，限流電阻必須將電流限定在最大持續(xù)放電電流以內(nèi)，運行產(chǎn)品工作不正常，但是不允許產(chǎn)品起火甚至爆炸。

因此該型號的限流電阻最小值為 R=V/I=3V/3mA=1KΩ；對于電池來說，電阻可以比該阻值大，但是不能比該阻值小。

圖2；電池廠家的電池規(guī)格要求

2. 串聯(lián)10K電阻為何電流變大 ？

回答問題前，我們先了解一下RTC芯片的特性：

（1）、RTC芯片有兩種工作模式，一種是正常工作模式，一種是備用電源工作模式，如下圖，兩者的供電電流可以相差200倍；

（2）、每一種模式下，RTC芯片都可以理解為一個恒流源，比如電池模式需要1uA左右，正常模式需要200uA左右；

（3）、RTC的芯片的電壓范圍非常廣，可以在1.5V~5.5V之間都可以正常工作。

RTC芯片可以理解為一個電流源，串聯(lián)一個10K的電阻，當流過電流為100uA時，在電阻上的壓降將會達到1V，如果此時電池電壓只有2.6V，則RTC芯片的工作電壓只有1.6V，如果電池電壓更小，RTC芯片獲得的電壓更低，由于RTC芯片工作電壓范圍很廣，（關注公眾號 電路一點通）但是需要的電流是基本不變的，為了獲得足夠的電流，RTC芯片可以理解為進一步降低阻抗，導致電流進一步加大。***可能在正常工作模式和備用電源模式之間的切換的邏輯不夠清晰，導致使用電池的時候也進入正常工作模式。（此為猜測，沒有從廠商的資料中找到根據(jù)）。

圖3；RTC芯片的直流工作參數(shù)

四、 解決方案

經(jīng)過上述分析可知，為了延長電池的壽命，主要降低RTC回路上的電流?；芈飞系膿p耗主要由：電阻、二極管、RTC芯片、電容。

1、RTC電池模式電流

目前大部分的廠家的RTC芯片在電池模式下可以做到幾百nA到1uA左右，因此RTC電流可以按照1uA進行估算。

2、二極管的漏電流

二極管的主要損耗在于漏電流，因此需要選擇漏電流盡可能小的二極管，下圖是BAS70系列二極管的漏電流的曲線圖，為例保守起見，也可以按照1uA進行估算。

圖4；BAS70系列二極管漏電流 /溫度/電壓曲線

3、電容損耗

電容的損耗主要也是體現(xiàn)在漏電流，RTC電池對電源要求不高，因此使用100nF的電容濾波即可，漏電流可以評估約0.5uA。

圖5；常見陶瓷電容漏電流

4、電阻損耗

經(jīng)過上述分析，總的電流=二極管漏電流+RTC芯片電流+電容漏電流=1uA+1uA+0.5uA=2.5uA。電阻一般可以選擇1K。RTC芯片和電阻為串聯(lián)關系。1K電阻1uA的壓降 V=IR=1K*2.5uA=0.0025V，功率為p1=UI=0.0025V*1K=0.00625uW；RTC芯片的功率P2=UI=（3V-0.2V-0.0025V）*1uA=2.7975uW，電阻的損耗占比=P1/P2=0.089%，因此電阻的損耗基本可以忽略不計。

5、電池的壽命估算。

以陽光動力電池CR2025為例，電池自放電損失約每年1%，標稱容量為150mAH，上述案例的壽命評估

T=150mAh*95%/（二極管漏電流1uA+RTC電流1uA+電容漏電流0.5uA）=57000H≈6.5年。

6、最終的解決方案

以陽光動力電池CR2025為例，二極管更換為更低漏電流1uA左右的BAS70系列，電阻只串聯(lián)在電池上，只防電池短路，限制電流在3mA。

圖6；改善后的RTC供電電路