Artículo técnico sobre el uso de los módulos de reloj en tiempo real escrito por Stefan Hartmann, Department Manager QD de Epson Europe y Jochen Neller, Technical Support Inductors & Timing Devices de Rutronik Elektronische Bauelemente.
Si un vehículo eléctrico o híbrido se para durante un día caluroso de verano o se recarga en una estación de carga rápida, existe riesgo de que la batería se dañe para siempre como consecuencia del sobrecalentamiento, la sobrecarga o la descarga profunda.
Por ello, resulta indispensable la medida continua en tiempo real de los parámetros de la batería en todas las condiciones operativas.
En este caso, el bajo consumo de energía es un aspecto particularmente importante y los módulos de reloj en tiempo real (RTC) ayudan a mantenerlo lo más bajo posible.
Los relojes en tiempo real “despiertan” a los microcontroladores del modo power-down a intervalos especificados, por lo que un sistema de gestión de batería (BMS) puede medir regularmente la tensión y la temperatura de las celdas de batería y el pack de batería y, después, evaluar los datos.
¿Solución integrada o discreta?
Lo anterior se puede conseguir mediante módulos de reloj en tiempo real (o módulos RTC) o microcontroladores con una función de reloj en tiempo real y un cuarzo externo. Hay una amplia variedad de argumentos a favor de los módulos con cuarzo integrado, principalmente sus mejoras en fiabilidad, mayor precisión de reloj y eficiencia (menor consumo), así como un diseño más sencillo. Este aspecto es de particular importancia cuando una fuente alternativa de energía alterna mantiene la tensión de alimentación en caso de fallo de suministro eléctrico.
Fijándonos en el diseño, la complejidad de un diseño de oscilador, especialmente para las funciones de vigilancia (watch), se suele subestimar. Esto no sólo implica la imposibilidad de alcanzar la precisión deseada, sino que conlleva mayores ratios de fallo, consecuencia de una oscilación insuficiente que afecta a la fiabilidad. En muchas ocasiones sólo se tiene en cuenta la tolerancia inicial del cuarzo, por ejemplo, la máxima desviación de precisión a temperatura ambiente.
Esto suele provocar problemas, ya que los cristales de cuarzo de kHz poseen una respuesta de frecuencia – temperatura que sigue una parábola abierta hacia abajo. Todo esto supone que cualquier cambio de temperatura puede provocar que el reloj vaya más lento. Este efecto se puede reducir considerablemente mediante la compensación integrada de temperatura, que no sólo compensa la respuesta parabólica de temperatura, sino también compensa la tolerancia inicial, mejorando así la precisión de reloj de manera significativa.
Al usar los módulos de reloj en tiempo real con cuarzo integrado, el fabricante del componente es el responsable del diseño de oscilador e integra el semiconductor y el cuarzo en un encapsulado sellado herméticamente. Los módulos RTC se encuentran disponibles en varias versiones y con diversas funciones especiales, como EEPROM integrada o un sensor de temperatura.
Comparación de la respuesta de temperatura de un cuarzo kHz no compensado (verde) y el módulo de reloj en tiempo real RA8900CE de temperatura compensada de Epson (azul) (Fuente: Epson)
Los módulos RTC de la serie RA8900CE de Epson incluyen este tipo de compensación de temperatura. Esto permite alcanzar temperaturas por encima del rango operativo de -40 a +85 °C con una precisión de reloj de +/-3,4 ppm. Los módulos se componen de un semiconductor con interfaz I2C y un cuarzo integrado en un encapsulado de 3,2 x 2,5 mm y cumplen la especificación AEC-Q200 para uso en vehículos eléctricos o híbridos. Además, poseen un circuito para la conmutación automática de la fuente de alimentación a una fuente de tensión alterna (por ejemplo, un supercondensador) en caso de fallo de alimentación primaria. Los módulos de la serie RA8900CE operan en modo backup con 700 nA (típicos) y una tensión de alimentación de 3 V.
Si se requiere un elevado nivel de precisión para un tango de temperatura extendido, se recomienda la serie RA8804CE de Epson. Funciona a entre +85 y +105 °C con una precisión de ±8 ppm y entre -40 y +85 °C con ±3,4 ppm. Los módulos cumplen la especificación AEC-Q100 y sólo consumen 350 nA (típico) con una tensión de alimentación de 3 V y con puertos I/O apagados. También tienen una entrada de evento que se puede emplear para registrar el momento en que se produce el evento externo.
Por lo tanto, ambas series satisfacen la creciente demanda de aumento de precisión en un mayor rango de temperatura operativa con encapsulados de menor tamaño.
Integración en un BMS con los módulos de reloj en tiempo real
Con el objetivo de integrar los módulos RTC del modo más fácil posible en un BMS, las dos series están equipados con lo que se denomina temporizador de ciclo fijo. Esto genera un pulso interrumpido a un ritmo específico que puede poner en marcha la función de monitorización en el microcontrolador.
Viendo como el temporizador se reconfigura de manera repetida tras la programación inicial para comenzar una nueva medida de tiempo, el nivel de comunicación con el microcontrolador se mantiene al mínimo. También se reduce el consumo de energía de sistema.
Para esto, el fabricante Epson ha desarrollado una gama completa de módulos de reloj en tiempo real con cuarzo integrado, que se dirige especialmente a BMS en vehículos a motor.
Estos modelos se basan en su tecnología de proceso QMEMS, que utiliza técnicas fotolitográficas para procesar los quartz blanks y ayuda a mejorar las características, especialmente con diseños de menor tamaño. Ante todo, disminuyen la disipación de potencia interna y, por ende, el nivel de consumo de corriente. Y debido a los métodos de producción eficientes, los módulos de reloj en tiempo real basados en cuarzo también resultan muy atractivos tanto por el precio como por su bajo consumo y elevada estabilidad de fase.
Como Epson no sólo fabrica el cuarzo en sus instalaciones, sino también el semiconductor específico, los componentes son totalmente compatibles entre ellos y su disponibilidad está garantizada.
Las principales características de las series de Epson en un vistazo:
| Modelo | RA8804CE(XA) | RA8900CE(UA) |
| Frecuencia | 32.768 kHz | 32.768 kHz |
| IC | EPSON IC | EPSON IC |
| Temperatura operativa | -40~+105 ℃ | -40~+85 ℃ |
| ftol @-40~+85 ℃ | ±3,4 ppm | ±3,4 ppm |
| ftol @85~+105 ℃ | ±8 ppm | |
| Consumo de corriente (típico) | 0.4 μA @ VDD=5V | 0.72 μA @ VDD=5V |
| 0.35 μA @ VDD=3V | 0.7μA @ VDD=3V |
