STM32F030低温下RTC不工作
1 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。
2 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：
| Test item | Temperature | Low-speed clock type | LED1(use PB5 to indicate the RTC status) | OSC pin | PA8 output clock |
|---|---|---|---|---|---|
| Use Customer board without any modify | Indoor temperature(25℃) | Use LSI(40KHz) | OK(Flash every second) | N/A | OK(Output 40K waveform) |
| Use Customer board without any modify | Under the low temperature(0℃) | Use LSI(40KHz) | OK(Flash every second) | N/A | OK(Output 40K waveform) |
| Use Customer board without any modify | Indoor temperature(25℃) | Use LSE(32.768KHz) | OK(Flash every second) | 32.768K waveform | OK(Output 32.768K waveform) |
| Use Customer board without any modify | Under the low temperature(0℃) | Use LSE(32.768KHz) | Failed(no flash) | 32.768K waveform detected | Failed(no output waveform) |
| Use the Customer board and modify the LSE load capacitance value to 6.8pF | Indoor temperature(25℃) | Use LSE(32.768KHz) | OK(Flash every second) | 32.768K waveform | OK(Output 32.768K waveform) |
| Use the Customer board and modify the LSE load capacitance value to 6.8pF | Under the low temperature(0℃) | Use LSE(32.768KHz) | OK(Flash every second) | 32.768K waveform | OK(Output 32.768K waveform) |
| Use ST Nucleo-F030 board | Indoor temperature(25℃) | Use LSE(32.768KHz) | OK(Flash every second) | 32.768K waveform | OK(Output 32.768K waveform) |
| Use ST Nucleo-F030 board | Under the low temperature(0℃) | Use LSE(32.768KHz) | OK(Flash every second) | 32.768K waveform | OK(Output 32.768K waveform) |
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。
- 当使用LSE时，常温下能正常工作，但在低温（0℃）时，RTC不再工作（LED1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。
图1 OSC脚在低温下的波形
图2 PA8管脚在低温下的波形
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，这个会严重影响到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。
3 问题分析
既然客户不接受修改负载电容，那么首先我们重新梳理下客户的晶振设计各种参数是否准确，客户的LSE电路设计如下所示：
如上图，图中的MR10 10Mohm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:
| index | parameters | Sym | Typical | Unit |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Nominal Frequency | F0 | 32.768 | KHz |
| 2 | Load Capacitance | CL | 7.0 | pF |
| 3 | Equivalent Series Resistance | ESR | 70 | KΩ |
| 4 | Shunt Capacitance | C0 | 1.0 | pF |
再者，由于客户代码中使用的LSE drive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：
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gain margin的值要求大于5，这样晶振才能正常起振，那么gain margin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，STM32F030 LSE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25 uA/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-12 + 7.0E-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，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)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=25 uA/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,而客户所使用的CL是7pF,这个与手册建议的内容是不相符的。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。
此时，应该对应地下调这个LSE驱动等级,减小驱动电流，这里按比例估算的话(12.5pF/1.6uA=7pF/xuA == > x=1.6*7/12.5 =0.89uA )，这里除了最高档可以外，其他都可以，保守起见，使用Medium High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出现问题的时候，OSC pin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，振荡不稳定，工作周期扭曲，这里理解为MCO脚与MCU内部振荡回路的连接点，也就是MCO所表现的波形。
3 总结
AN2867这个文档总结了关于STM32晶振匹配方面的信息。里边有提到，负载电容CL值越大，所需的驱动电流也就越大，但牵引度越小。这也就解释了表1中通过增大C1&C2的电容值，原本出现问题的RTC能恢复正常的现象，这是由于C1&C2的电容值变大将导致负载电容CL变大，进而对应所需的驱动电流也就跟着增加，这反而减少了在高驱动模式情况下振荡回路出现饱和的机会。
在一般情况下，关于晶振这方便我们往往比较关注的是gain margin的计算，它的值太小的话会导致不起振，但同时，我们也应该适当关注由驱动电流过大导致振荡回路饱和的情况。
AN2867这个文档的中文版是精简版，若要真正研究的话，建议还是看英文原版。