STM32晶振匹配總結

前言客戶反饋在批量生產階段，發(fā)現(xiàn)部分產品的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。問題跟進與分析通過與客戶郵件溝通，了解到客戶使用的MCU型號是：STM32F030C6T6TR。在產品的主從結構中主要用作電源管理和時鐘管理。通過客戶的描述，似乎相同型號不同片子都存在較大的差異。由于時間緊急，在了解到初步信息后立即拜訪客戶，針對客戶認為有問題的MCU 芯片做針對性試驗。通過 STM32CubMx 生成測試工程，分別使用LSI(40K)，LSE(32.768K)，RTC工作時每秒通過 LED1（PB5）取反一次(通過LED1燈是否閃爍來指示 RTC是否工作正常)，然后分別測量 OSC管腳與PA8腳（輸出LSI或LSE），并對比ST官方的NUCLEO-F030板，最終測試結果如下：通過測試結果，我們得到如下信息：當使用LSI時，無論常溫還是低溫下都能正常工作。E（0℃C（停止閃爍），且PA8管腳無輸出，但保持為高電平，且此時OSC管腳此時是存在32.768K的波形的。通過修改負載電容C1&C2的電容值從5.1pF修改到6.8pF時，原本低溫下不工作的RTC又能恢復正常工作。對比ST官方的NUCLEO-F030板子，在常溫與低溫下均能正常工作。從測試結果來看，通過修改負載電容的方式能讓原本不能正常工作的RTC恢復正常工作，這個似乎為客戶的負載電容不能精準的匹配系統(tǒng)的原因所致。但客戶對于這種解釋是不接受的，理由是現(xiàn)在設計的負載電容5.1pF是通過測但客戶對于這種解釋是不接受的，理由是現(xiàn)在設計的負載電容5.1pF是通過測試后的值，精度可以達到6.5ppm，但如果改為6.8pF，那么精度將會變到大約試后的值，精度可以達到6.5ppm，但如果改為6.8pF，那么精度將會變到大約30ppm，這個會影響到 MCU30ppm，這個會影響到 MCU的RTC的時間精準度，系統(tǒng)在長時間運行后，時間必然會偏差很大，超出設計合理范圍，這個是不允許的。時間必然會偏差很大，超出設計合理范圍，這個是不允許的。如上圖，圖中的MR1010Mohm這個反饋電阻在實際電路中是沒有加的，晶振使用的是TXC的，從晶振廠商提供的數(shù)據(jù)手冊中得到相關參數(shù)如下：如上圖，圖中的MR1010Mohm這個反饋電阻在實際電路中是沒有加的，晶振使用的是TXC的，從晶振廠商提供的數(shù)據(jù)手冊中得到相關參數(shù)如下：再者，由于客戶代碼中使用的LSEdrive配置的是最高等級，從下圖芯片對應的數(shù)據(jù)手冊中可以找到對應的gm值為25uA/V,此時的驅動電流為1.6uA：3問題分析數(shù)是否準確，客戶的LSE電路設計如下所示：上圖有提到AN2867這個文檔，于是我們打開這個文檔，在3.4節(jié)，發(fā)現(xiàn)有這個要求：也就是要求gainmargin的值要求大于5，這樣晶振才能正常起振，那么gainmargin又是如何計算的呢？接下來找到gainmargin的計算公式，如下：其中gm就是圖4中從數(shù)據(jù)手冊中提到的跨導值，STM32F030LSE的不同驅動等級對應著不同的gm值，由于我們的測試代碼使用的是CubeMx自動生成的代碼，其默認使用的是最高等級，且客戶使用的也是最高等級，因此，這個得出的gm值為25uA/V,gm有了，那么上面公式中的gmcrit又該如何計算，我們接下來找到它的計算公式，如：通過晶振對應參數(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-127.0E-12),2)=7.6E-07最終得到:gain_magin=gm/g_mcrit=2.5E-05/7.6E-07=32.89這個值是遠大于5，因此，理論上不會存在晶振不起振是的問題，實際上當在低溫下，之前在測試中也有發(fā)現(xiàn)晶振也是有起振，有波形輸出的，只不過PA8腳沒有波形輸出，那個又是什么問題呢？提交給division，最終定位到LSE的驅動等級過高，在AN2867這個文檔中，提交給division，最終定位到LSE的驅動等級過高，在AN2867這個文檔中，有這樣的描述：有這樣的描述：也就是說，在STM32F0和STM32F3中，當使用最高驅動模式(gm_crit_max=5uA/V,見Figure9gm_crit_max)時，對應地應該只使用在CL=12.5pF的晶振上，以此避免振蕩回路飽和，從而導致啟動失敗。若此時使用了一個較小的CL(如CL=6pF)，那么會導致振蕩頻率不穩(wěn)定和工作周期可能被扭曲。AN2867隨后給出了一張表，列出了驅動等級與gm_min、gm_crit_max的關系，如下：如上圖，對于STM32F0，當使用最高驅動模式High時，此時的gm_min=25uA/V,這個與數(shù)據(jù)手冊中是一致的，另外gm_crit_max=5uA/V，正是上面所描述的。也就是說，在使用最高驅動模式下，此時與之對應的CL應該使用12.5pF,而客也就是說，在使用最高驅動模式下，此時與之對應的CL應該使用12.5pF,而客戶所使用的CL是7pF,這個與手冊AN2867的建議內容是不相符的。從圖4戶所使用的CL是7pF,這個與手冊AN2867的建議內容是不相符的。從圖4可以看出，在最高驅動等級模式下，此時驅動電流最大(1.6uA)，但這里使用了可以看出，在最高驅動等級模式下，此時驅動電流最大(1.6uA)，但這里使用了一個比較小的負載電容(CL=7pF)，按AN2867所述，此時有可能導致振蕩回路一個比較小的負載電容(CL=7pF)，按AN2867所述，此時有可能導致振蕩回路飽和，振蕩不穩(wěn)定，工作周期扭曲。飽和，振蕩不穩(wěn)定，工作周期扭曲。此時，應該對應地下調這個 LSE此時，應該對應地下調這個 LSE驅動等級，減小驅動電流，這里有 4檔(見Figure。目前使用的是High，正是它出了問題，為保守起見，使用MediumHigh相對合適。打開STM32F030的參考手冊，在7.4.9節(jié)中：如上圖，將LSEDRV[1:0]這兩個為修改為10即可，將原先低溫下RTC有問題的MCU芯片修改后再次放到低溫下進行驗證，測試結果為正常。由于此問題是部分芯片有可能會出現(xiàn)的問題，客戶需要對修改后的芯片進行持續(xù)跟蹤，至今沒有再反饋出現(xiàn)過此問題，由此，此問題基本算是解決。另外，從圖1中所作的測試結果來看，實際上，在低溫條件下，RTC出現(xiàn)問題另外，從圖1中所作的測試結果來看，實際上，在低溫條件下，RTC出現(xiàn)問題的時候，OSCpin還是能正常捕捉到波形，只不過，PA8腳這個MCO上沒有的時候，OSCpin還是能正常捕捉到波形，只不過，PA8腳這個MCO上沒有波形，只是維持在高電平。于是，對于驅動電流過大所導致的振蕩回路飽和，振波形，只是維持在高電平。于是，對于驅動電流過大所導致的振蕩回路飽和，振點，也就是MCO所表現(xiàn)的波形。4點，也就是MCO所表現(xiàn)的波形。4