利用多電壓架構在32位MCU上實(shí)現高性能和超低功耗待機模式

　　不過(guò)，作為復雜設計的回報，STM32獲得了真正的超低功耗待機，有助于應用開(kāi)發(fā)人員優(yōu)化電池使用時(shí)間。

　　STM32的功率模式及優(yōu)化的電池使用時(shí)間

　　因為實(shí)現了雙電壓區，STM32提供了兩個(gè)不同的低功耗模式：停止模式和待機模式。兩個(gè)功能中電壓監控器都是導通的，以便在出現電壓下降時(shí)保護應用。

　　在停止模式下，低功耗穩壓器保持通態(tài)，但是時(shí)鐘停止運行。通過(guò)內部阻容振蕩器，穩壓器提供極短的重啟時(shí)間(10mS)，并保留軟件環(huán)境。在環(huán)境溫度下的典型電流為15mA(3.3V)，但是這個(gè)模式無(wú)法減輕泄漏電流問(wèn)題，因為泄漏電流會(huì )隨著(zhù)溫度以?xún)鐢敌问缴摺?br />
　　在待機模式下，穩壓器是斷態(tài)，在環(huán)境溫度下電流消耗為2mA(3.3V)，電流幾乎不會(huì )隨溫度升高(在85℃下，一個(gè)典型器件的電流為2.4mA)。不過(guò)，待機模式重啟意味著(zhù)軟件內容丟失，RAM、內核和大多數外設寄存器都會(huì )丟失數據。

　　為具體應用選擇最佳的模式能夠極大地影響電池的使用壽命，下面是在選擇省電方式時(shí)應考慮的基本要求。

　　●檢查微控制器的待機狀態(tài)是否符合應用要求(例如，I/O待機狀態(tài)、喚醒信號源)；
　　●考慮最?lèi)毫拥牡悄軌虮ＷC應用功能正常運行的溫度條件對電池使用壽命的影響；
　　●檢查從待機時(shí)間開(kāi)始的重啟時(shí)間是多少，是否達到應用對重啟時(shí)間的要求；
　　●檢查待機模式是否比停止模式省電，在兩個(gè)事件之間，待機功耗與待機重啟功耗之和是否小于停止模式的功耗。

　　這些問(wèn)題與應用有關(guān)，待機模式重啟時(shí)間包括從喚醒到讀取復位向量這個(gè)過(guò)程所用的時(shí)間，待機模式重啟時(shí)間取決于硬件(穩壓器啟動(dòng)時(shí)間，STM32的時(shí)鐘源啟動(dòng)時(shí)間大約為40ms)和軟件恢復應用環(huán)境所需的時(shí)間。軟件通常必須檢查喚醒信號源，從備份寄存器恢復環(huán)境信息，并重新配置應用系統使用的微控制器功能。

　　因為待機軟啟動(dòng)與軟件有關(guān)，所以在喚醒階段消耗的能量也與應用有關(guān)。一個(gè)實(shí)用的估計能量損耗的方法是，在一個(gè)時(shí)限內(從喚醒后到軟件立即回到待機模式)生成數個(gè)給定的喚醒信號，然后比較在喚醒信號沒(méi)有生成時(shí)的平均電流消耗。為了優(yōu)化待機模式啟動(dòng)時(shí)間，開(kāi)發(fā)人員不得忘記優(yōu)化編譯器增加的初始化階段，并盡可能減少初始化階段(例如，應該去除RAM初始化過(guò)程)。

　　含有自動(dòng)電源開(kāi)關(guān)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘及數據備份專(zhuān)用電壓區

　　電池供電應用都需要一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，不過(guò)，內核電壓關(guān)閉必然導致整個(gè)程序環(huán)境丟失，這相當于一個(gè)產(chǎn)品的復位重啟。給程序實(shí)現一個(gè)備份寄存器庫，有助于恢復程序執行所需的最小環(huán)境。

　　可以在一個(gè)備用電壓區內，把所有這些功能都直

接集成在微控制器上。不過(guò)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能通常應在很長(cháng)時(shí)期（數年）內有效，即便電池供電的主應用也是以充電電池為電源的。為實(shí)時(shí)時(shí)鐘設計第三個(gè)電壓區，并設置一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘電源專(zhuān)用引腳，就可以使用一個(gè)很小的專(zhuān)用鈕扣電池給實(shí)時(shí)時(shí)鐘供電，同時(shí)主應用由另一個(gè)主要電源供電，這樣鈕扣電池只給實(shí)時(shí)時(shí)鐘和相關(guān)的振蕩器供電，而不給其它功能供電，例如，在待機模式下才可用的電壓監控器。

　　不過(guò)，實(shí)現第三電壓區也不是最完美的，因為當主電源可用時(shí)，鈕扣電池仍然給實(shí)時(shí)時(shí)鐘和備份寄存器供電。為此，STM32采用了一個(gè)聰明的延長(cháng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘電池使用時(shí)間的方法，具體做法是給實(shí)時(shí)時(shí)鐘和備份寄存器增加一個(gè)電源開(kāi)關(guān)，當主電源可用時(shí)，從主電源給實(shí)時(shí)時(shí)鐘和備份寄存器供電；當主電源不可用時(shí)，從電池給實(shí)時(shí)時(shí)鐘和備份寄存器供電。STM32電壓區電路如圖4所示。

　　主電壓監控制器通過(guò)一個(gè)閂鎖機制向電源開(kāi)關(guān)發(fā)布命令，當發(fā)現VDD電壓低于VDD的下限時(shí)，開(kāi)關(guān)把實(shí)時(shí)時(shí)鐘和備份寄存器的電源轉接到外部Vbat電源。如果VDD電壓高于VDD上限時(shí)，開(kāi)關(guān)自動(dòng)選擇VDD給這個(gè)特殊的電壓區供電。

　　采用電源開(kāi)關(guān)設計還有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，軟件對這個(gè)特殊的電壓區讀寫(xiě)操作(通過(guò)電平轉換器)產(chǎn)生的額外動(dòng)態(tài)功耗決不會(huì )增加對鈕扣電池的功耗，這是因為在運行模式下，電池始終是由主電源提供的。因此，根據實(shí)時(shí)時(shí)鐘的功耗和鈕扣電池的電量，可以直接計算鈕扣電池最短使用時(shí)間。

　　STM32的實(shí)時(shí)時(shí)鐘典型電流消耗為1.4mA(環(huán)境溫度，3.3V)，當使用一枚CR2032電池時(shí)，電池最短使用時(shí)間近20年。然而，如果應用在大多數時(shí)間都連接著(zhù)主電源，電池的使用時(shí)間可以更長(cháng)，即便電池電量非常低，還能照常使用。

　　STM32實(shí)現的實(shí)時(shí)時(shí)鐘和備份寄存器在待機模式下仍正常工作，因此，實(shí)時(shí)時(shí)鐘可以作為待機喚醒的信號源，而且在系統進(jìn)入待機模式前，備份寄存器還可以保存一些重要的參數值。

　　增添電源開(kāi)關(guān)的方法大幅度提高了微控制器設計的復雜性，因為它要求：

　　●電壓區之間的隔離變得更加復雜；
　　●可靠的電源開(kāi)關(guān)設計，經(jīng)過(guò)正確調整后，功耗可達到預期的水平(為避免小封裝上可用的GPIO數量減少，內部實(shí)時(shí)時(shí)鐘電壓區沒(méi)有外部引腳，因此無(wú)需增添去耦合電容器)；
　　●考慮到了不增加Vbat靜態(tài)功耗的各種啟動(dòng)情況，例如，當VDD不存在時(shí)Vbat電壓的升高不應產(chǎn)生意外狀態(tài)(鈕扣電池可能在生產(chǎn)線(xiàn)上被焊接到產(chǎn)品內，這時(shí)不應有額外的功率消耗，否則電池的電量會(huì )被白白地消耗掉)；
　　●實(shí)時(shí)時(shí)鐘電壓區在轉接VbatV電壓前必須能承受VDD最低閾壓以下的大電壓降。

　　支持電池供電應用

　　盡管在應用層面考慮了在待機狀態(tài)下允許內容丟失的情況，像STM32這樣的超低功耗待機和多電壓電源架構仍不失為一個(gè)有效的解決方案，它允許應用系統在運行模式下實(shí)現優(yōu)異的性能，同時(shí)降低靜態(tài)功耗對待機狀態(tài)的影響。此外，在STM32內集成獨立的功能(如實(shí)時(shí)時(shí)鐘)，使設計工程師能夠快速高效地開(kāi)發(fā)電池供電的應用設備，并充分利用產(chǎn)品的電源能效。