Epson Europe Electronics Separate RTC-Module mit integriertem Quarz

Vergleich des Temperaturgangs eines unkompensierten kHz-Quarzes (grün) und des temperaturkompensierten Echtzeituhrenmoduls von Epson (blau)

Obwohl inzwischen die meisten Mikrocontroller integrierte Echtzeituhrenfunktionen mit extern anzuschließendem Quarz haben, gibt es je nach Anwendung und Anforderungen eine Reihe von Argumenten, die für den Einsatz eines separaten Echtzeituhrenmoduls mit integriertem Quarz sprechen.

Neben Spezialfunktionen wie einem integrierten EEPROM oder einem Temperatursensor »sind die Hauptgründe für ein separates RTC-Modul die höhere Zuverlässigkeit und das einfachere Design, die höhere Ganggenauigkeit und die geringere Stromaufnahme im RTC-Mode«, versichert Hartmann, Department Manager QD bei Epson Europe Electronics. Eine niedrige Stromaufnahme sei vor allem dann interessant, wenn bei Ausfall der Primärversorgung das Umschalten der Versorgungsspannung auf eine alternative Energiequelle stattfinde.

Zuverlässigkeit und einfacheres Design
 
Die Komplexität eines Oszillatordesigns speziell für Uhrenfunktionen werde »häufig unterschätzt«, was nicht nur dazu führe, dass die gewünschten Eigenschaften (hier: die Genauigkeit) nicht erzielt würden, sondern auch gesteigerte Ausfallraten meist wegen zu geringer Anschwingsicherheit verursacht werden könnten. Bei Einsatz eines Echtzeituhrenmoduls mit integriertem Quarz übernimmt der Bauteillieferant das Oszillatordesign.

Im Falle von Epson - mit der Inhouse-Kompetenz für Quarze und Halbleiter - werden die hausinternen Halbleiter »explizit auf die individuellen Bedürfnisse und Eigenschaften der zum Einsatz kommenden Quarze abgestimmt, was zu verbesserten Eigenschaften und reduziertem Stromverbrauch führt«, betont Hartmann. Die Integration des Halbleiters und Quarzes in ein hermetisch geschlossenes Gehäuse bewirkt außerdem eine Resistenz des Bauteils gegenüber Schmutz und Feuchtigkeit, die bei diskretem Aufbau den sensiblen Oszillatorschaltkreis negativ beeinflussen und zu Gangfehlern bis hin zu Ausfällen führen könnten.

Höhere Ganggenauigkeit
 
Die Ganggenauigkeit der Uhrzeit spielt in vernetzten Systemen zunehmend eine Rolle, um etwa die zeitliche Zuordnung verschiedener Ereignisse in Relation setzen zu können. Aber auch in Weißer Ware wird verstärkt eine höhere Ganggenauigkeit der Zeitfunktion nachgefragt, um zu vermeiden, dass jedes Gerät eine andere Uhrzeit zeigt. »Bei der Genauigkeitsbetrachtung wird oft nur die Initialtoleranz des Quarzes, also die maximale Gangabweichung bei Raumtemperatur beachtet«, sagt der Epson-Manager. Dies führe dann häufig zu Enttäuschungen und Problemen, weil kHz-Quarze einen Frequenz-Temperaturgang haben, der einer nach unten offenen Parabel folgt. Dies bedeutet, dass »jegliche« Temperaturänderung zum Nachgehen der Uhr führt. Dieser Effekt lässt sich durch eine integrierte Temperaturkompensation verringern, welche die typische Parabel ausgleicht und damit die Ganggenauigkeit verbessert.

Erschwerend kommt jedoch hinzu, dass der Scheitelpunkt der Parabel – also die Turnover-Temperatur des Quarzes – etwas um 25 °C schwankt, was zu weiteren Toleranzen im System führt. Zur Realisierung der maximalen Genauigkeit ist deshalb nicht nur eine sehr gute thermische Kopplung des Quarzes und Halbleiters mit integriertem Temperatursensor notwendig, sondern auch das einzelne Vermessen und Abspeichern der individuellen Quarzcharakteristik im Halbleiter jedes einzelnen Echtzeituhrenmoduls. So müsse mit entsprechendem Aufwand (etwa Messungen jedes einzelnen Bauteils bei unterschiedlichen Temperaturen) »jeder einzelne Halbleiter derartiger Echtzeituhrenmodule in der Fertigung mit den individuellen Eigenschaften des an ihn angeschlossenen Quarzes programmiert werden«, betont Hartmann.

Epsons Echtzeituhrenmodule der Serien RX8900 und die Automotiveversion RA8900 haben diese Funktion und erzielen damit Ganggenauigkeiten von bis zu ±3,4 x 10 hoch –6 bei Temperaturen von –40 bis +85 °C, was einem maximalen Fehlgang von 9 s/Monat entspricht. Weil bei diesen RTC-Serien die Schwingfrequenz des Quarzes temperaturkompensiert wird, ist auch der 32,768-kHz-Taktausgang dieser Bausteine temperaturkompensiert und weist deshalb ebenfalls diese Genauigkeit auf.