STM32常見問題：低溫下部分產品RTC不工作的問題探析

前言

客戶反饋在批量生產階段，發現部分產品的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

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：

1、當使用LSI時，無論常溫還是低溫下都能正常工作。

2、當使用LSE時，常溫下能正常工作，但在低溫（0℃）時，RTC不再工作（LED1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。

3、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。

4、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的原因所致。

但客戶對于這個做法不接受的，理由是現在設計的負載電容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30ppm，這個會影響到MCU的RTC的時間精準度，系統在長時間運行后，時間必然會偏差很大，超出設計合理范圍，這個是不允許的。

問題分析

既然客戶不接受修改負載電容，那么首先我們重新梳理下客戶的晶振設計各種參數是否準確，客戶的LSE電路設計如下所示：

如上圖，圖中的MR10 10Mohm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據手冊中得到相關參數如下:

再者，由于客戶代碼中使用的LSE drive配置的是最高等級，從下圖芯片對應的數據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：

前面提到過AN2867這個文檔，我們打開這個文檔，在3.4節，發現有這個要求:

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中從數據手冊中提到的跨導值，STM32F030 LSE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25 uA/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，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現晶振也是有起振，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？

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：

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=25 uA/V,這個與數據手冊中是一致的，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，振蕩不穩定，工作周期扭曲。

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Figure9):Low,Medium Low,Medium High,High. 目前使用的是High，正是它出了問題，為保守起見，使用Medium High相對合適。

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的問題，客戶需要對修改后的芯片進行持續跟蹤，至今沒有再反饋出現過此問題，由此，此問題基本解決。

總結

AN2867這個文檔總結了關于STM32晶振匹配方面的信息。里邊有提到，負載電容CL值越大，所需的驅動電流也就越大，但牽引度越小。這也就解釋了表1中通過增大C1&C2的電容值，原本出現問題的RTC能恢復正常的現象，這是由于C1&C2的電容值變大將導致負載電容CL變大，進而對應所需的驅動電流也就跟著增加，這反而減少了在高驅動模式情況下振蕩回路出現飽和的機會。