1 前言

客戶(hù)反饋在批量生產(chǎn)階段，發(fā)現(xiàn)部分產(chǎn)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。

2 問(wèn)題跟進(jìn)與分析

通過(guò)與客戶(hù)郵件溝通，了解到客戶(hù)使用的MCU型號(hào)是：STM32F030C6T6TR。在產(chǎn)品的主從結(jié)構(gòu)中主要用作電源管理和時(shí)鐘管理。通過(guò)客戶(hù)的描述，似乎相同型號(hào)不同片子都存在較大的差異。

由于時(shí)間緊急，在了解到初步信息后立即拜訪客戶(hù)，針對(duì)客戶(hù)認(rèn)為有問(wèn)題的MCU芯片做針對(duì)性試驗(yàn)。通過(guò)STM32CubMx生成測(cè)試工程，分別使用LSI(40K)，LSE(32.768K)，RTC工作時(shí)每秒通過(guò)LED1（PB5）取反一次(通過(guò)LED1燈是否閃爍來(lái)指示RTC是否工作正常)，然后分別測(cè)量OSC管腳與PA8腳（輸出LSI或LSE），并對(duì)比ST官方的NUCLEO-F030板，最終測(cè)試結(jié)果如下：

Test itemTemperatureLow-speed clock typeLED1(use PB5 to indicate the RTC status)OSC pinPA8 output clockUse Customer board without any modifyIndoor temperature(25℃)Use LSI(40KHz)OK(Flash every second)N/AOK(Output 40K waveform)Use Customer board without any modifyUnder the low temperature(0℃)Use LSI(40KHz)OK(Flash every second)N/AOK(Output 40K waveform)Use Customer board without any modifyIndoor temperature(25℃)Use LSE(32.768KHz)OK(Flash every second)32.768K waveformOK(Output 32.768K waveform)Use Customer board without any modifyUnder the low temperature(0℃)Use LSE(32.768KHz)Failed(no flash)32.768K waveform detectedFailed(no output waveform)Use the Customer board and modify the LSE load capacitance value to 6.8pFIndoor temperature(25℃)Use LSE(32.768KHz)OK(Flash every second)32.768K waveformOK(Output 32.768K waveform)Use the Customer board and modify the LSE load capacitance value to 6.8pFUnder the low temperature(0℃)Use LSE(32.768KHz)OK(Flash every second)32.768K waveformOK(Output 32.768K waveform)Use ST Nucleo-F030 boardIndoor temperature(25℃)Use LSE(32.768KHz)OK(Flash every second)32.768K waveformOK(Output 32.768K waveform)Use ST Nucleo-F030 boardUnder the low temperature(0℃)Use LSE(32.768KHz)OK(Flash every second)32.768K waveformOK(Output 32.768K waveform)

表1 測(cè)試內(nèi)容

通過(guò)測(cè)試結(jié)果，我們得到如下信息：

當(dāng)使用LSI時(shí)，無(wú)論常溫還是低溫下都能正常工作。

當(dāng)使用LSE時(shí)，常溫下能正常工作，但在低溫（0℃）時(shí)，RTC不再工作（LED1停止閃爍），且PA8管腳無(wú)輸出，但保持為高電平，且此時(shí)OSC管腳此時(shí)是存在32.768K的波形的。

通過(guò)修改負(fù)載電容C1&C2的電容值從5.1pF修改到6.8pF時(shí)，原本低溫下不工作的RTC又能恢復(fù)正常工作。

對(duì)比ST官方的NUCLEO-F030板子，在常溫與低溫下均能正常工作。

圖1 OSC腳在低溫下的波形

圖2 PA8管腳在低溫下的波形

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，通過(guò)修改負(fù)載電容的方式能讓原本不能正常工作的RTC恢復(fù)正常工作，這個(gè)似乎為客戶(hù)的負(fù)載電容不能精準(zhǔn)的匹配系統(tǒng)的原因所致。

但客戶(hù)對(duì)于這種解釋是不接受的，理由是現(xiàn)在設(shè)計(jì)的負(fù)載電容5.1pF是通過(guò)測(cè)試后的值，精度可以達(dá)到6.5ppm,但如果改為6.8pF，那么精度將會(huì)變到大約30ppm，這個(gè)會(huì)嚴(yán)重影響到MCU的RTC的時(shí)間精準(zhǔn)度，系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，時(shí)間必然會(huì)偏差很大，超出設(shè)計(jì)合理范圍，這個(gè)是不允許的。

3 問(wèn)題分析

既然客戶(hù)不接受修改負(fù)載電容，那么首先我們重新梳理下客戶(hù)的晶振設(shè)計(jì)各種參數(shù)是否準(zhǔn)確，客戶(hù)的LSE電路設(shè)計(jì)如下所示：

圖3 LSE電路設(shè)計(jì)

如上圖，圖中的MR10 10Mohm這個(gè)反饋電阻在實(shí)際電路中是沒(méi)有加的，晶振使用的是TXC的，從晶振廠商提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)中得到相關(guān)參數(shù)如下:

indexparametersSymTypicalUnit1Nominal FrequencyF032.768KHz2Load CapacitanceCL7.0pF3Equivalent Series ResistanceESR70K?4Shunt CapacitanceC01.0pF

表2 晶振參數(shù)

再者，由于客戶(hù)代碼中使用的LSE drive配置的是最高等級(jí)，從下圖芯片對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊(cè)中可以找到對(duì)應(yīng)的gm值為25uA/V,此時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流為1.6uA：

圖4%20LSE驅(qū)動(dòng)能力與跨導(dǎo)對(duì)應(yīng)的關(guān)系(理論值)

上圖有提到AN2867這個(gè)文檔，于是我們打開(kāi)這個(gè)文檔，在3.4節(jié)，發(fā)現(xiàn)有這個(gè)要求:

圖5 LSE對(duì)gain margin的要求

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(jì)算的呢?接下來(lái)找到gainmargin 的計(jì)算公式，如下:

圖6 gain margin的計(jì)算公式

其中g(shù)m就是圖4中從數(shù)據(jù)手冊(cè)中提到的跨導(dǎo)值，STM32F030 LSE的不同驅(qū)動(dòng)等級(jí)對(duì)應(yīng)著不同的gm值，由于我們的測(cè)試代碼使用的是CubeMx自動(dòng)生成的代碼，其默認(rèn)使用的是最高等級(jí)，且客戶(hù)使用的也是最高等級(jí)，因此，這個(gè)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(jì)算，我們接下來(lái)找到它的計(jì)算公式，如：

圖7 g_mcrit的計(jì)算公式

通過(guò)晶振對(duì)應(yīng)參數(shù)，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(gè)值是遠(yuǎn)大于5，因此，理論上不會(huì)存在晶振不起振是的問(wèn)題，實(shí)際上當(dāng)在低溫下，之前在測(cè)試中也有發(fā)現(xiàn)晶振也是有起振，有波形輸出的，只不過(guò)PA8腳沒(méi)有波形輸出，那個(gè)又是什么問(wèn)題呢？

提交給division，最終定位到LSE的驅(qū)動(dòng)等級(jí)過(guò)高，在AN2867這個(gè)文檔中，有這樣的描述：

圖8 使用高驅(qū)動(dòng)模式的注意事項(xiàng)

也就是說(shuō)，在STM32F0和STM32F3中，當(dāng)使用最高驅(qū)動(dòng)模式(gm_crit_max=5uA/V)時(shí)，對(duì)應(yīng)地應(yīng)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(dǎo)致啟動(dòng)失敗。若此時(shí)使用了一個(gè)較小的CL(如CL=6pF)，那么會(huì)導(dǎo)致振蕩頻率不穩(wěn)定和工作周期可能被扭曲。

AN2867隨后給出了一張表，列出了驅(qū)動(dòng)等級(jí)與gm_min、gm_crit_max的關(guān)系，如下:

圖9 STM32各系列的gm_min與gm_crit_max關(guān)系

如上圖，對(duì)于STM32F0，當(dāng)使用最高驅(qū)動(dòng)模式High時(shí)，此時(shí)的gm_min=25 uA/V,這個(gè)與數(shù)據(jù)手冊(cè)中是一致的，另外gm_crit_max =5uA/V，正是上面所描述的。

也就是說(shuō)，在使用最高驅(qū)動(dòng)模式下，此時(shí)與之對(duì)應(yīng)的CL應(yīng)該使用12.5pF,而客戶(hù)所使用的CL是7pF,這個(gè)與手冊(cè)建議的內(nèi)容是不相符的。從圖4可以看出，在最高驅(qū)動(dòng)等級(jí)模式下，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電流最大(1.6uA)，但這里使用了一個(gè)比較小的負(fù)載電容(CL=7pF),按AN2867所述，此時(shí)有可能導(dǎo)致振蕩回路飽和，振蕩不穩(wěn)定，工作周期扭曲。

此時(shí)，應(yīng)該對(duì)應(yīng)地下調(diào)這個(gè)LSE驅(qū)動(dòng)等級(jí),減小驅(qū)動(dòng)電流，這里按比例估算的話(12.5pF/1.6uA=7pF/xuA == > x=1.6*7/12.5 =0.89uA )，這里除了最高檔可以外，其他都可以，保守起見(jiàn)，使用Medium High相對(duì)合適。

打開(kāi)STM32F030的參考手冊(cè)，在7.4.9節(jié)中:

圖10 RCC_BDCR寄存器

如上圖，將LSEDRV[1:0]這兩個(gè)為修改為10即可，將原先低溫下RTC有問(wèn)題的MCU芯片修改后再次放到低溫下進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果為正常。由于此問(wèn)題是部分芯片有可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，客戶(hù)需要對(duì)修改后的芯片進(jìn)行持續(xù)跟蹤，至今沒(méi)有再反饋出現(xiàn)過(guò)此問(wèn)題，由此，此問(wèn)題基本算是解決。

另外，從圖1中所作的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，實(shí)際上，在低溫條件下，RTC出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，OSC pin還是能正常捕捉到波形，只不過(guò)，PA8腳這個(gè)MCO上沒(méi)有波形，只是維持在高電平。于是，對(duì)于驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大所導(dǎo)致的振蕩回路飽和，振蕩不穩(wěn)定，工作周期扭曲，這里理解為MCO腳與MCU內(nèi)部振蕩回路的連接點(diǎn)，也就是MCO所表現(xiàn)的波形。

3 總結(jié)

AN2867這個(gè)文檔總結(jié)了關(guān)于STM32晶振匹配方面的信息。里邊有提到，負(fù)載電容CL值越大，所需的驅(qū)動(dòng)電流也就越大，但牽引度越小。這也就解釋了表1中通過(guò)增大C1&C2的電容值，原本出現(xiàn)問(wèn)題的RTC能恢復(fù)正常的現(xiàn)象，這是由于C1&C2的電容值變大將導(dǎo)致負(fù)載電容CL變大，進(jìn)而對(duì)應(yīng)所需的驅(qū)動(dòng)電流也就跟著增加，這反而減少了在高驅(qū)動(dòng)模式情況下振蕩回路出現(xiàn)飽和的機(jī)會(huì)。

在一般情況下，關(guān)于晶振這方便我們往往比較關(guān)注的是gain margin的計(jì)算，它的值太小的話會(huì)導(dǎo)致不起振，但同時(shí)，我們也應(yīng)該適當(dāng)關(guān)注由驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大導(dǎo)致振蕩回路飽和的情況。

AN2867這個(gè)文檔的中文版是精簡(jiǎn)版，若要真正研究的話，建議還是看英文原版。