2019年08月29日 | STM32F429 >> 18. 电源管理_实现低功耗

STM32 的电源简介

STM32 有专门的电源管理外设监控电源并管理设备的运行模式，确保系统正常运行，并尽量降低器件的功耗。

电源监视器： STM32 芯片主要通过引脚 VDD 从外部获取电源，在它的内部具有电源监控器用于检测 VDD 的电压，以实现复位功能及掉电紧急处理功能，保证系统可靠地运行。

1. 上电复位与掉电复位（POR 与PDR）

当检测到 VDD 的电压低于阈值 VPOR 及 VPDR 时，无需外部电路辅助，STM32 芯片会自动保持在复位状态，防止因电压不足强行工作而带来严重的后果。

如图，在刚开始电压低于 VPOR 时(约 1.72V)，STM32 保持在上电复位状态(POR，Power On Reset)，当VDD 电压持续上升至大于 VPOR 时，芯片开始正常运行，而在芯片正常运行的时候，当检测到 VDD 电压下降至低于 VPDR 阈值(约 1.68V)，会进入掉电复位状态(PDR，Power Down Reset)

欠压复位（BOR）

POR 与 PDR 的复位电压阈值是固定的，如果用户想要自行设定复位阈值，可以使用STM32 的 BOR 功能(Brownout Reset)。它可以编程控制电压检测工作在表 45-1 中的阈值级别，通过修改“选项字节”(某些特殊寄存器)中的 BOR_LEV 位即可控制阈值级别。其复位控制示意图见图。

等级 条件 电压值

1 级欠压阀值 下降沿 2.19V

上升沿 2.29V

2 级欠压阀值 下降沿 2.50V

上升沿 2.59V

3 级欠压阀值 下降沿 2.83V

上升沿 2.92V

3. 可编程电压检测器PVD

上述 POR、PDR 以及 BOR 功能都是使用其电压阈值与外部供电电压 VDD 比较，当低

于工作阈值时，会直接进入复位状态，这可防止电压不足导致的误操作。

除此之外，STM32 还提供了可编程电压检测器 PVD，它也是实时检测 VDD 的电压，当检测到电压低于 VPVD 阈值时，会向内核产生一个 PVD 中断(EXTI16 线中断)以使内核在复位前进行紧急处理。

该电压阈值可通过电源控制寄存器 PWR_CSR 设置。

使用 PVD 可配置 8 个等级，见下表。其中的上升沿和下降沿分别表示类似上图中 VDD 电压上升过程及下降过程的阈值。

阀值等级 条件 最小值 典型值 最大值 单位

级别0 上升沿 2.09 2.14 2.19 V

下降沿 1.98 2.04 2.08 V

级别1 上升沿 2.23 2.3 2.37 V

下降沿 2.13 2.19 2.25 V

级别2 上升沿 2.39 2.45 2.51 V

下降沿 2.29 2.35 2.39 V

级别3 上升沿 2.54 2.6 2.65 V

下降沿 2.44 2.51 2.56 V

级别4 上升沿 2.7 2.76 2.82 V

下降沿 2.59 2.66 2.71 V

级别5 上升沿 2.86 2.93 2.99 V

下降沿 2.65 2.84 3.02 V

级别6 上升沿 2.96 3.03 3.1 V

下降沿 2.85 2.93 2.99 V

级别7 上升沿 3.07 3.14 3.21 V

下降沿 2.95 3.03 3.09 V

STM32 的电源系统

为了方便进行电源管理，STM32 把它的外设、内核等模块跟据功能划分了供电区域，其内部电源区域划分见图。

从框图了解到，STM32 的电源系统主要分为备份域电路、内核电路以及 ADC 电路三部分，介绍如下：

备份域电路

STM32 的 LSE 振荡器、RTC、备份寄存器及备份 SRAM 这些器件被包含进备份域电路中，这部分的电路可以通过 STM32 的 VBAT 引脚获取供电电源，在实际应用中一般会使用 3V 的钮扣电池对该引脚供电。

在图中备份域电路的左侧有一个电源开关结构，它的功能类似图 45-4 中的双二极管，在它的上方连接了 VBAT 电源，下方连接了 VDD 主电源(一般为 3.3V)，右侧引出到备份域电路中。当 VDD 主电源存在时，由于 VDD 电压较高，备份域电路通过 VDD 供电，当 VDD 掉电时，备份域电路由钮扣电池通过 VBAT 供电，保证电路能持续运行，从而可利用它保留关键数据。

调压器供电电路

在 STM32 的电源系统中调压器供电的电路是最主要的部分，调压器为备份域及待机电路以外的所有数字电路供电，其中包括内核、数字外设以及 RAM。调压器的输出电压约为 1.2V，因而使用调压器供电的这些电路区域被称为 1.2V 域。

调压器可以运行在“运行模式”、“停止模式”以及“待机模式”。

运行模式下，1.2V 域全功率运行；

停止模式下 1.2V 域运行在低功耗状态，1.2V 区域的所有时钟都被关闭，相应的外设都停止了工作，但它会保留内核寄存器以及SRAM 的内容；

待机模式下，整个 1.2V 域都断电，该区域的内核寄存器及SRAM 内容都会丢失(备份区域的寄存器及 SRAM 不受影响)。

ADC 电源及参考电压

为了提高转换精度，STM32 的 ADC 配有独立的电源接口，方便进行单独的滤波。ADC 的工作电源使用 VDDA 引脚输入，使用 VSSA 作为独立的地连接，VREF 引脚则为 ADC 提供测量使用的参考电压。

STM32 的功耗模式

按功耗由高到低排列，STM32 具有运行、睡眠、停止和待机四种工作模式。

上电复位后 STM32 处于运行状态时，当内核不需要继续运行，就可以选择进入后面的三种低功耗模式降低功耗，这三种模式中，电源消耗不同、唤醒时间不同、唤醒源不同，用户需要根据应用需求，选择最佳的低功耗模式。

模式 说明 进入方式 唤醒方式 对1.2V 区域时钟的影响 对VDD 区域时钟的影响 调压器

这三种低功耗模式层层递进，运行的时钟或芯片功能越来越少，因而功耗越来越低。

1. 睡眠模式

在睡眠模式中，仅关闭了内核时钟，内核停止运行，但其片上外设，CM4 核心的外设全都还照常运行。

有两种方式进入睡眠模式，它的进入方式决定了从睡眠唤醒的方式，分别是

WFI(wait for interrupt)；

WFE(wait for event)，即由等待“中断”唤醒和由“事件”唤醒。

2. 停止模式

在停止模式中，进一步关闭了其它所有的时钟，于是所有的外设都停止了工作，但由于其 1.2V 区域的部分电源没有关闭，还保留了内核的寄存器、内存的信息，所以从停止模式唤醒，并重新开启时钟后，还可以从上次停止处继续执行代码。

停止模式可以由任意一个外部中断(EXTI)唤醒。在停止模式中可以选择电压调节器为开模式或低功耗模式，可选择内部 FLASH 工作在正常模式或掉电模式。

3. 待机模式

待机模式，它除了关闭所有的时钟，还把 1.2V 区域的电源也完全关闭了，也就是说，从待机模式唤醒后，由于没有之前代码的运行记录，只能对芯片复位，重新检测 boot 条件，从头开始执行程序。

它有四种唤醒方式，分别是

WKUP(PA0)引脚的上升沿；

RTC 闹钟事件；

NRST 引脚的复位 ；

IWDG(独立看门狗)复位。

特性 说明

进入方式 内核寄存器的 SLEEPDEEP =1，PWR_CR 寄存器中的 PDDS=1，PWR_CR 寄存器中的唤醒状态位 WUF=0，然后调用 WFI 或 WFE 指令即可进入待机模式

唤醒方式 通过 WKUP 引脚的上升沿，RTC 闹钟、唤醒、入侵、时间戳事件或NRST 引脚外部复位及 IWDG 复位唤醒

待机时 内核停止，片上外设也停止；内核寄存器、内存的数据会丢失；除复位引脚、RTC_AF1 引脚及 WKUP 引脚，其它 I/O 口均工作在高阻态

唤醒延迟 芯片复位的时间

唤醒后 相当于芯片复位，在程序表现为从头开始执行代码

在以上讲解的睡眠模式、停止模式及待机模式中，若备份域电源正常供电，备份域内的 RTC 都可以正常运行、备份域内的寄存器及备份域内的 SRAM 数据会被保存，不受功耗模式影响

电源管理相关的库函数及命令

配置PVD 监控功能

PVD 可监控 VDD 的电压，当它低于阈值时可产生 PVD 中断以让系统进行紧急处理，这个阈值可以直接使用库函数 PWR_PVDLevelConfig 配置成前面表中说明的阈值等级。

WFI(Wait For Interrupt) 与WFE(Wait For Event) 命令

我们了解到进入各种低功耗模式时都需要调用 WFI 或 WFE 命令，它们实质上都是内核指令，在库文件 core_cmInstr.h 中把这些指令封装成了函数。

#define __WFI                             __wfi

#define __WFE                             __wfe

对于这两个指令，我们应用时一般只需要知道，调用它们都能进入低功耗模式，需要使用函数的格式“__WFI();”和“__WFE();”来调用(因为__wfi 及__wfe 是编译器内置的函数，函数内部使用调用了相应的汇编指令)。

其中 WFI 指令决定了它需要用中断唤醒，而WFE 则决定了它可用事件来唤醒.

具体功能实现代码在此。

进入停止模式

直接调用 WFI 和 WFE 指令可以进入睡眠模式，而进入停止模式则还需要在调用指令前设置一些寄存器位，STM32 标准库把这部分的操作封装到 PWR_EnterSTOPMode 函数中。

这个函数有两个输入参数，分别用于控制调压器的模式及选择使用 WFI 或 WFE 停止：

void PWR_EnterSTOPMode(uint32_t PWR_Regulator, uint8_t PWR_STOPEntry)

代码中先是根据调压器的模式配置 PWR_CR 寄存器，再把内核寄存器的 SLEEPDEEP 位置1，这样再调用 WFI 或 WFE 命令时，STM32 就不是睡眠，而是进入停止模式了。

函数结尾处的语句 SCB->SCR &= (uint32_t)~((uint32_t)SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk); 用于复位 SLEEPDEEP 位的状态，由于它是在 WFI 及 WFE 指令之后的，所以这部分代码是在 STM32 被唤醒的时候才会执行。

要注意的是进入停止模式后，STM32 的所有 I/O 都保持在停止前的状态，而当它被唤醒时，STM32 使用 HSI 作为系统时钟(16MHz)运行，由于系统时钟会影响很多外设的工作状态，所以一般我们在唤醒后会重新开启 HSE，把系统时钟设置回原来的状态。

前面提到在停止模式中还可以控制内部 FLASH 的供电，控制 FLASH 是进入掉电状态还是正常供电状态，这可以使用库函数 PWR_FlashPowerDownCmd 配置。

这个函数需要在进入停止模式前被调用，即应用时需要把它放在上面的 PWR_EnterSTOPMode 之前。

具体功能实现代码在此。

进入待机模式

STM32 标准库也提供了控制进入待机模式的函数

void PWR_EnterSTANDBYMode(void);

该函数中先配置了 PDDS 寄存器位及 SLEEPDEEP 寄存器位，接着调用__force_stores函数确保存储操作完毕后再调用 WFI 指令，从而进入待机模式。这里值得注意的是，待机模式也可以使用 WFE 指令进入的，如果您有需要可以自行修改；

由于这个函数没有操作 WUF 寄存器位，所以在实际应用中，调用本函数前，还需要清空 WUF 寄存器位才能进入待机模式。

在进入待机模式后，除了被使能了的用于唤醒的 I/O，其余 I/O 都进入高阻态，而从待机模式唤醒后，相当于复位 STM32 芯片，程序重新从头开始执行。