1 前言
/ E( l% b/ k4 n8 w' o# x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。

* |' F9 |) a+ h# e# f  L; H1 X2 问题跟进与分析
% d1 R% c- [; |1 a; j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。
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) M7 |+ u0 b' \$ ~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。
    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。
. I" e6 f# k* x+ B    对比 ST 官方的 NUCLEO-F030 板子，在常温与低温下均能正常工作。
  c+ P6 u5 t( Q8 d" G; ~$ Y
" p: u' m4 N% O7 U  Z
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# q- ~6 }: g  M* B: ?$ K  ?
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：

3 P( l, p5 m: z' a: d
. d, O" S2 P  k* C: e6 s

( G" q7 q/ D! Y( i: d6 z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:
' k- j/ J' m9 x/ t7 T


' U. @1 X/ o# u0 g/ ?5 ]  o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：
4 U0 v% _: ~! @5 ?. F
/ K4 ~3 [" |9 r# h5 U% E
0 e% I* K8 v$ H/ Y) Q2 o/ p

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:
* \2 g% M* j- h5 l4 w  x  j" ]

! U: t# D6 H# ?% g" I

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:
- B1 A) Q& J: z& I1 W$ K' e


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：
  l7 r  @5 X/ f


5 ~8 Z6 T' ^% f1 l2 w, t$ g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.
1 R1 f, @& W- }% B于是:
, D! H/ V) @/ e7 _g_mcrit =4 * 7E4 * POWER(2*PI()*32768,2) * POWER ((1.0E-12 + 7.0E-12),2) =7.6E-07
最终得到:
2 ~$ p/ d4 w& r  d1 V) W6 f/ Mgain_magin =gm/g_mcrit =2.5E-05/7.6E-07 =32.89
' s& `  P2 @5 i; ^0 g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：



' ^+ _! A* ?, a1 N2 {% \也就是说，在 STM32F0 和 STM32F3 中，当使用最高驱动模式(gm_crit_max=5uA/V, 见 Figure9 gm_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。

# o4 ~4 F# `) [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。
4 m3 m* n7 ~2 c! }9 @0 e
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 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。
3 L1 A0 I9 b/ T1 @& S+ j, T5 F& e
$ P% G2 p" K6 r3 n+ D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 9)ow,Medium Low,MediumHigh,High. 目前使用的是 High，正是它出了问题，为保守起见，使用 Medium High 相对合适。
0 P5 P  w: v* M- F% ]# i( E
打开 STM32F030 的参考手册，在 7.4.9 节中:
( k. k. i5 V9 V  X

* [5 S& J, P/ J% h
& l% y9 Q" f6 Q9 C" d/ @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。
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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。
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3 总结
0 a: ]! N. q: @6 p+ v! x  B. aAN2867 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。
0 _# N0 n; Z# L4 ]( Z1 r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。