システムにRTCモジュール回路が必要ですか？

デジタルシステムで時間を追跡する必要がある場合はいつでも、クロックパルスを日付と時刻に変換する必要があります。クロック回路で動作するだけでは不十分で、変換にはデジタル算術が必要であり、クロックパルスのカウントを何らかの基準日と比較する必要があります。電子機器の良い時計は、デバイスの使用有無にかかわらず動作するべきなので、時計モジュールには持続的な電源も必要です。

MCUにクリスタルやオシレータ回路を配線する代わりに、リアルタイムクロック（RTC）モジュールをボードに使用して正確な時刻を提供することができます。これらの小さなチップは、デジタルシステムで時間を追跡し、標準の低速インターフェースを介してMCUにデータをフィードバックする簡単な方法を提供します。RTCモジュール回路が必要なアプリケーションと、これらの回路に対する人気のあるオプションをここに示します。

RTCモジュール回路設計

RTCモジュールは非常にシンプルで、小さなフットプリントで提供されます。一般的にクリスタルまたはオシレータ回路からクロックパルスを読み取るだけで済むため、非常に低い電力消費が特徴です。最高のRTCモジュールは、単一のコインセルバックアップバッテリーで少なくとも10年間の正確な時刻を提供し、利用可能な場合はメインシステム電源で動作します。このシンプルな機能はMCUに組み込まれているかもしれませんが、すべてのシステムが統合されたRTC回路を持つ大型MCUを必要とするわけではありません。

以下の回路図は、人気のあるIC、Maxim IntegratedのDS1307を使用したシンプルなRTCモジュール回路を示しています。参照されていないクロックパルスは32.768 kHzのクロックからこのモジュールに供給され、クロックパルスはDS1307内部で特定の日付に対して参照されます。そこから、データはI2C経由で外部MCUによって照会され、MCUのメモリに格納されます。これは、内部オシレータとRTC回路を持つ他のMCUがファームウェアの一部として時間を追跡するために使用するのと基本的に同じプロセスです。

ATTiny85 MCUのシステムクロックとして使用するためのRTCモジュール回路の例。

上記の回路図で注目すべき他のコンポーネントは、ATTiny85 MCUです。このMCUは小さなDIPフットプリントを持ち、内部EEPROMは100,000回の消去/書き込みサイクル、内部フラッシュ、および内部SRAMを持っています。この特定の実装は、クライアントプロジェクトの電力監視および追跡回路の一部ですが、より大きなMCUが不要で、より小さなMCU、バックアップバッテリー、およびRTDモジュール回路が必要な機能を提供する特定のケースを示しています。

MCUではなくRTCモジュール回路を使用する理由

上述した電力製品は、いくつかの理由で大型MCUを必要としません。以下にいくつかの一般的な理由を挙げますが、これらは次のシステムにも当てはまるかもしれません。

システムはデータをタグ付けして保存するだけです。これはセンサーノードボードの典型的なタスクで、データはタイムスタンプとロジック回路によってトリガーされるいくつかの基準でタグ付けされる場合があります。その後、データはSPI経由でフラッシュに保存できます。これには高性能なMCUは必要ありません。MCUにSPIバスインターフェースまたはその他の低速インターフェース（上記の例ではI2Cなど）があればよいのです。

コア機能は他の集積回路に組み込まれています。上で参照した電力監視ボードの例では、センシングと制御ループのロジックを単一のMCUに統合する必要はありませんでした。これによりいくらかのスペースを節約できたかもしれませんが、ファームウェアを構築することは車輪の再発明のようなものです。これらの機能の多くは、COTS 電力管理ICに組み込まれています。

断続的な電力。デバイスがオフラインになる必要がある場合、または電力アクセスが断続的になると予想される場合、バッテリーバックアップのおかげでシステム内で時間を追跡し続けることができます。RTCモジュール回路はコインセルバッテリーと簡単にインターフェースでき、充電や交換なしで複数年間動作することができます。これはまた、システムがバッテリー電力で動作するために追加のレギュレーター/管理ユニットを必要としないことを意味します。対照的に、バッテリー電力での時間保持にMCUを使用するとバッテリー寿命が無駄になるため、小さなRTCモジュール回路を使用するだけの価値があります。

人気のRTCコンポーネント

Maxim Integrated、DS1307およびDS3231

これら2つのRTCモジュールは、さまざまなデバイスで最も人気のあるRTCモジュールと言えるでしょう。DS1307 IC（上記の回路図に示されています）は、I2Cインターフェース、スクエアウェーブ出力、バックアップバッテリー管理コントローラー、外部オシレーター用の入力のみを含む最小限のコンポーネントです。DS3231 RTCモジュールは、I2C経由で通信するものの、統合オシレーター、外部ピンを通じたリセット機能、およびスクエアウェーブ/32.768 kHzオシレーター出力を含む、より強力なバージョンです。

DS3231アプリケーション回路。 DS3231データシートより。

Maxim Integrated、MAX31341BEWC

この特定のRTCモジュールは、Maximがこれまでに提供した最小のRTCコンポーネントで、超低電流消費量の180 nAを実現しています。このコンポーネントには、I2C経由でアクセスされる標準的な時刻保持機能とともに、統合されたアラーム機能も特徴です。コンポーネントは、さまざまな標準周波数で参照クロックにロックすることもでき、クロックの精度を外部ソースによって決定できます。対象アプリケーションには、医療機器、ウェアラブル、テレマティクスなどが含まれます。

外部MCUを持つMAX31341アプリケーションRTCモジュール回路。MAX31341データシートより。

Renesas, ISL12057IUZ

RenesasのISL12057IUZは、MAX31341と同様の機能を提供しますが、産業用、自動車用、その他の過酷な環境のアプリケーションエリア向けに市場投入されています。上記の他のコンポーネントと同様に、正方形波の出力を提供し、データはI2Cインターフェースを介してアクセスされます。このコンポーネントは、統合された反転アンプを介して、外部の32.768 kHzオシレータを6 pFの負荷容量でサポートできます。

ISL12057IUZアプリケーションRTCモジュール回路。ISL12057IUZデータシートより。

時間追跡のためのその他のコンポーネント

RTCモジュール自体以外にも、安定した電力を提供し、データを読み取るためのデジタルバスを設定し、外部コントローラーとのインターフェースを行うために、いくつかの他のコンポーネントが必要です。これらのコンポーネントには以下が含まれます：

• MCUまたはFPGA

• バッテリーとバッテリーホルダー

• 受動部品（抵抗器とコンデンサ）

モバイルデバイス、IoT製品、またはRTCモジュール回路を必要とするその他のシステムを設計している場合、高度な検索とフィルタリング機能を備えたOctopartでこれらのコンポーネントを見つけることができます。Octopartの電子部品検索エンジンを使用すると、ディストリビューターのデータと部品仕様にアクセスでき、すべてがユーザーフレンドリーなインターフェースで自由に利用できます。当社の統合回路ページをご覧ください、必要なコンポーネントを見つけてください。

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