RTC纽扣电池寿命问题分析

一、 问题描述

一款带RTC功能的终端产品，RTC使用寿命设计要求高于5年，产品研发后测试，发现VDD_BATT的电流大于100uA，导致产品实际计算出来寿命只有半年之久，下图是RTC电路图：

图1 RTC供电电路

二、 原因分析

产品RTC电路串联高精度万用表进去测量电流，RTC的工作电流大于100uA，和我们设计的5uA有很大的差距。因此有几个怀疑点，具体如下所示：

（1）二极管D1漏电流太大，设备断电时，通过D1倒流到系统的电源上；

（2）RTC芯片影响，原来的RTC芯片为INS5699S，手册描述备用电源时功耗为0.5uA；中途有更换国产RTC；

（3）RTC电源线路上有漏电路，例如电容的漏电流；

（4）电阻R1影响；

我们通过排除法，先去除D1，电流只减小1uA左右；接着去除RTC电源上电容，RTC工作电流依旧是100uA左右。将RTC芯片更换为INS5699S，电流正常，大约4uA。接着我们换回国产RTC，同时将电阻更换为100R，电流也正常，只有4uA左右。

1. RTC电源串联电阻应该怎么选择

RTC串联电阻的主要目的是限流，每一款纽扣电池，厂家会在规格书上明确要求，电池无论在什么条件下都不允许短路，否则会与炸裂或者爆炸的风险。因此一旦发生后级短路时，限流电阻可以将纽扣电池的电流限定在最大持续放电的电流以内。下图是CR2025的常规参数表，CR2025最大持续放电电流为3mA，因此该型号的限流电阻最小值为 R=V/I=3V/3mA=1KΩ。对于电池来说，电阻可以比该阻值大，但是不能比该阻值小。

 图2 厂家电池规格

2. 串联10K电阻为什么电流会变大

RTC芯片的特性：

（1）RTC芯片有两种工作模式，一种是正常工作模式，一种是备用电源工作模式，INS5699S如下图所示，两者的供电电流可以相差38倍；

（2）每一种模式下，RTC芯片都可以理解为一个恒流源，比如电池模式需要0.5uA左右，正常模式需要19uA左右；

（3）RTC的芯片的电压范围非常广，可以在1.6V~5.0V之间都可以正常工作。

RTC芯片可以理解为一个电流源，串联一个10K的电阻，当流过电流为100uA时，在电阻上的压降将会达到1V，如果此时电池电压只有2.6V，则RTC芯片的工作电压只有1.6V，如果电池电压更小，RTC芯片获得的电压更低，由于RTC芯片工作电压范围很广，但是需要的电流是基本不变的，为了获得足够的电流，RTC芯片可以理解为进一步降低阻抗，导致电流进一步加大。

备注：国产芯片可能在正常工作模式和备用电源模式之间的切换的逻辑不够清晰，导致使用电池的时候也进入正常工作模式。

图3 INS5699S RTC芯片的直流工作参数

三、 解决方案

经过上述分析可知，为了延长电池的寿命，主要降低RTC回路上的电流。回路上的损耗主要有：电阻、二极管、RTC芯片、电容。

1、RTC电池模式电流

目前大部分的厂家的RTC芯片在电池模式下可以控制在1uA以内，因此RTC电流可以按照1uA进行估算。

2、二极管的漏电流

二极管的主要损耗在于漏电流，因此需要选择漏电流尽可能小的二极管，下图是BAT54系列二极管的漏电流的曲线图，为例保守起见，也可以按照1uA进行估算。

图4 BAT54系列二极管漏电流

3、电容损耗

电容的损耗主要也是体现在漏电流，RTC电池对电源要求不高，因此使用100nF的电容滤波即可，漏电流可以评估约0.5uA。（电容的封装越小漏电流越大，温度越高漏电流也越大，耐压值越高漏电流越小，因此电容选型要结合使用环境，耐压值和封装进行综合选择）

注意：尽管陶瓷电容的漏电流不大，但是大容量的电容，其漏电流也达到uA级别，对于超低功耗的产品，尽可能选择一些绝缘电阻大的电容。

图5 常见陶瓷电容漏电流

4、电阻损耗

经过上述分析，总的电流=二极管漏电流+RTC芯片电流+电容漏电流=1uA+0.5uA+0.5uA=2.0uA。电阻一般可以选择1K。RTC芯片和电阻为串联关系。

1K电阻1uA的压降 ：V=IR=1K*2.0uA=0.0020V

功率为：P1=U*U/R=0.002V*0.002V/1000=0.004uW

RTC芯片的功率：P2=UI=（3V-0.2V-0.002V）*1uA=2.798uW

电阻的损耗占比=P1/P2=0.143%，因此电阻的损耗基本可以忽略不计。

5、电池的寿命估算

以CR2025为例，电池自放电损失约每年1%，标称容量为150mAH，上述案例的寿命评估

T=150mAh*95%/（二极管漏电流1uA+RTC电流0.5uA+电容漏电流0.5uA）=71250H≈8年。

6、最终的解决方案

以CR2025为例，二极管更换为更低漏电流1uA左右的BAT54系列，电阻只串联在电池上，只防电池短路，限制电流在3mA。

图6 改善后的RTC供电电路