STM32晶振匹配总结

前言客户反馈在批量生产阶段，发现部分产品的MCU的RTC在低温（0℃）下工作不正常，但是在常温下又是正常的，且其他正常的MCU的RTC在常温与低温下都是正常的。问题跟进与分析通过与客户邮件沟通，了解到客户使用的MCU型号是：STM32F030C6T6TR。在产品的主从结构中主要用作电源管理和时钟管理。通过客户的描述，似乎相同型号不同片子都存在较大的差异。由于时间紧急，在了解到初步信息后立即拜访客户，针对客户认为有问题的MCU 芯片做针对性试验。通过 STM32CubMx 生成测试工程，分别使用LSI(40K)，LSE(32.768K)，RTC工作时每秒通过 LED1（PB5）取反一次(通过LED1灯是否闪烁来指示 RTC是否工作正常)，然后分别测量 OSC管脚与PA8脚（输出LSI或LSE），并对比ST官方的NUCLEO-F030板，最终测试结果如下：通过测试结果，我们得到如下信息：当使用LSI时，无论常温还是低温下都能正常工作。E（0℃C（停止闪烁），且PA8管脚无输出，但保持为高电平，且此时OSC管脚此时是存在32.768K的波形的。通过修改负载电容C1&C2的电容值从5.1pF修改到6.8pF时，原本低温下不工作的RTC又能恢复正常工作。对比ST官方的NUCLEO-F030板子，在常温与低温下均能正常工作。从测试结果来看，通过修改负载电容的方式能让原本不能正常工作的RTC恢复正常工作，这个似乎为客户的负载电容不能精准的匹配系统的原因所致。但客户对于这种解释是不接受的，理由是现在设计的负载电容5.1pF是通过测但客户对于这种解释是不接受的，理由是现在设计的负载电容5.1pF是通过测试后的值，精度可以达到6.5ppm，但如果改为6.8pF，那么精度将会变到大约试后的值，精度可以达到6.5ppm，但如果改为6.8pF，那么精度将会变到大约30ppm，这个会影响到 MCU30ppm，这个会影响到 MCU的RTC的时间精准度，系统在长时间运行后，时间必然会偏差很大，超出设计合理范围，这个是不允许的。时间必然会偏差很大，超出设计合理范围，这个是不允许的。如上图，图中的MR1010Mohm这个反馈电阻在实际电路中是没有加的，晶振使用的是TXC的，从晶振厂商提供的数据手册中得到相关参数如下：如上图，图中的MR1010Mohm这个反馈电阻在实际电路中是没有加的，晶振使用的是TXC的，从晶振厂商提供的数据手册中得到相关参数如下：再者，由于客户代码中使用的LSEdrive配置的是最高等级，从下图芯片对应的数据手册中可以找到对应的gm值为25uA/V,此时的驱动电流为1.6uA：3问题分析数是否准确，客户的LSE电路设计如下所示：上图有提到AN2867这个文档，于是我们打开这个文档，在3.4节，发现有这个要求：也就是要求gainmargin的值要求大于5，这样晶振才能正常起振，那么gainmargin又是如何计算的呢？接下来找到gainmargin的计算公式，如下：其中gm就是图4中从数据手册中提到的跨导值，STM32F030LSE的不同驱动等级对应着不同的gm值，由于我们的测试代码使用的是CubeMx自动生成的代码，其默认使用的是最高等级，且客户使用的也是最高等级，因此，这个得出的gm值为25uA/V,gm有了，那么上面公式中的gmcrit又该如何计算，我们接下来找到它的计算公式，如：通过晶振对应参数，我们可以得出:ESR=70KΩ,C0=1.0pF,CL=7.0pF，而F就是LSE的频率，为32.768KHz.于是：g_mcrit=4*7E4*POWER(2*PI()*32768，2)*POWER((1.0E-127.0E-12),2)=7.6E-07最终得到:gain_magin=gm/g_mcrit=2.5E-05/7.6E-07=32.89这个值是远大于5，因此，理论上不会存在晶振不起振是的问题，实际上当在低温下，之前在测试中也有发现晶振也是有起振，有波形输出的，只不过PA8脚没有波形输出，那个又是什么问题呢？提交给division，最终定位到LSE的驱动等级过高，在AN2867这个文档中，提交给division，最终定位到LSE的驱动等级过高，在AN2867这个文档中，有这样的描述：有这样的描述：也就是说，在STM32F0和STM32F3中，当使用最高驱动模式(gm_crit_max=5uA/V,见Figure9gm_crit_max)时，对应地应该只使用在CL=12.5pF的晶振上，以此避免振荡回路饱和，从而导致启动失败。若此时使用了一个较小的CL(如CL=6pF)，那么会导致振荡频率不稳定和工作周期可能被扭曲。AN2867随后给出了一张表，列出了驱动等级与gm_min、gm_crit_max的关系，如下：如上图，对于STM32F0，当使用最高驱动模式High时，此时的gm_min=25uA/V,这个与数据手册中是一致的，另外gm_crit_max=5uA/V，正是上面所描述的。也就是说，在使用最高驱动模式下，此时与之对应的CL应该使用12.5pF,而客也就是说，在使用最高驱动模式下，此时与之对应的CL应该使用12.5pF,而客户所使用的CL是7pF,这个与手册AN2867的建议内容是不相符的。从图4户所使用的CL是7pF,这个与手册AN2867的建议内容是不相符的。从图4可以看出，在最高驱动等级模式下，此时驱动电流最大(1.6uA)，但这里使用了可以看出，在最高驱动等级模式下，此时驱动电流最大(1.6uA)，但这里使用了一个比较小的负载电容(CL=7pF)，按AN2867所述，此时有可能导致振荡回路一个比较小的负载电容(CL=7pF)，按AN2867所述，此时有可能导致振荡回路饱和，振荡不稳定，工作周期扭曲。饱和，振荡不稳定，工作周期扭曲。此时，应该对应地下调这个 LSE此时，应该对应地下调这个 LSE驱动等级，减小驱动电流，这里有 4档(见Figure。目前使用的是High，正是它出了问题，为保守起见，使用MediumHigh相对合适。打开STM32F030的参考手册，在7.4.9节中：如上图，将LSEDRV[1:0]这两个为修改为10即可，将原先低温下RTC有问题的MCU芯片修改后再次放到低温下进行验证，测试结果为正常。由于此问题是部分芯片有可能会出现的问题，客户需要对修改后的芯片进行持续跟踪，至今没有再反馈出现过此问题，由此，此问题基本算是解决。另外，从图1中所作的测试结果来看，实际上，在低温条件下，RTC出现问题另外，从图1中所作的测试结果来看，实际上，在低温条件下，RTC出现问题的时候，OSCpin还是能正常捕捉到波形，只不过，PA8脚这个MCO上没有的时候，OSCpin还是能正常捕捉到波形，只不过，PA8脚这个MCO上没有波形，只是维持在高电平。于是，对于驱动电流过大所导致的振荡回路饱和，振波形，只是维持在高电平。于是，对于驱动电流过大所导致的振荡回路饱和，振点，也就是MCO所表现的波形。4点，也就是MCO所表现的波形。4