利用多電壓架構(gòu)在32位MCU上實(shí)現(xiàn)高性能和超低功耗待機(jī)模式

　　不過(guò)，作為復(fù)雜設(shè)計(jì)的回報(bào)，STM32獲得了真正的超低功耗待機(jī)，有助于應(yīng)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?yàn)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/實(shí)現(xiàn)">實(shí)現(xiàn)了雙電壓區(qū)，STM32提供了兩個(gè)不同的低功耗模式：停止模式和待機(jī)模式。兩個(gè)功能中電壓監(jiān)控器都是導(dǎo)通的，以便在出現(xiàn)電壓下降時(shí)保護(hù)應(yīng)用。

　　在停止模式下，低功耗穩(wěn)壓器保持通態(tài)，但是時(shí)鐘停止運(yùn)行。通過(guò)內(nèi)部阻容振蕩器，穩(wěn)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?yàn)樾孤╇娏鲿?huì)隨著溫度以冪數(shù)形式升高。

　　在待機(jī)模式下，穩(wěn)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(jī)模式重啟意味著軟件內(nèi)容丟失，RAM、內(nèi)核和大多數(shù)外設(shè)寄存器都會(huì)丟失數(shù)據(jù)。

　　為具體應(yīng)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(yīng)考慮的基本要求。

　　●檢查微控制器的待機(jī)狀態(tài)是否符合應(yīng)用要求(例如，I/O待機(jī)狀態(tài)、喚醒信號(hào)源)；
　　●考慮最惡劣的但是能夠保證應(yīng)用功能正常運(yùn)行的溫度條件對(duì)電池使用壽命的影響；
　　●檢查從待機(jī)時(shí)間開(kāi)始的重啟時(shí)間是多少，是否達(dá)到應(yīng)用對(duì)重啟時(shí)間的要求；
　　●檢查待機(jī)模式是否比停止模式省電，在兩個(gè)事件之間，待機(jī)功耗與待機(jī)重啟功耗之和是否小于停止模式的功耗。

　　這些問(wèn)題與應(yīng)用有關(guān)，待機(jī)模式重啟時(shí)間包括從喚醒到讀取復(fù)位向量這個(gè)過(guò)程所用的時(shí)間，待機(jī)模式重啟時(shí)間取決于硬件(穩(wěn)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(fù)應(yīng)用環(huán)境所需的時(shí)間。軟件通常必須檢查喚醒信號(hào)源，從備份寄存器恢復(fù)環(huán)境信息，并重新配置應(yīng)用系統(tǒng)使用的微控制器功能。

　　因?yàn)榇龣C(jī)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(yīng)用有關(guān)。一個(gè)實(shí)用的估計(jì)能量損耗的方法是，在一個(gè)時(shí)限內(nèi)(從喚醒后到軟件立即回到待機(jī)模式)生成數(shù)個(gè)給定的喚醒信號(hào)，然后比較在喚醒信號(hào)沒(méi)有生成時(shí)的平均電流消耗。為了優(yōu)化待機(jī)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(yīng)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(shù)據(jù)備份專用電壓區(qū)

　　電池供電應(yīng)用都需要一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，不過(guò)，內(nèi)核電壓關(guān)閉必然導(dǎo)致整個(gè)程序環(huán)境丟失，這相當(dāng)于一個(gè)產(chǎn)品的復(fù)位重啟。給程序?qū)崿F(xiàn)一個(gè)備份寄存器庫(kù)，有助于恢復(fù)程序執(zhí)行所需的最小環(huán)境。

　　可以在一個(gè)備用電壓區(qū)內(nèi)，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(yīng)在很長(zhǎng)時(shí)期（數(shù)年）內(nèi)有效，即便電池供電的主應(yīng)用也是以充電電池為電源的。為實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)計(jì)第三個(gè)電壓區(qū)，并設(shè)置一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘電源專用引腳，就可以使用一個(gè)很小的專用鈕扣電池給實(shí)時(shí)時(shí)鐘供電，同時(shí)主應(yīng)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(jī)模式下才可用的電壓監(jiān)控器。

　　不過(guò)，實(shí)現(xiàn)第三電壓區(qū)也不是最完美的，因?yàn)楫?dāng)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(zhǎng)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(dāng)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(dāng)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(qū)電路如圖4所示。

　　主電壓監(jiān)控制器通過(guò)一個(gè)閂鎖機(jī)制向電源開(kāi)關(guān)發(fā)布命令，當(dāng)發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)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(qū)供電。

　　采用電源開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)還有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，軟件對(duì)這個(gè)特殊的電壓區(qū)讀寫(xiě)操作(通過(guò)電平轉(zhuǎn)換器)產(chǎn)生的額外動(dòng)態(tài)功耗決不會(huì)增加對(duì)鈕扣電池的功耗，這是因?yàn)樵谶\(yùn)行模式下，電池始終是由主電源提供的。因此，根據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的功耗和鈕扣電池的電量，可以直接計(jì)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(dāng)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(yīng)用在大多數(shù)時(shí)間都連接著主電源，電池的使用時(shí)間可以更長(zhǎng)，即便電池電量非常低，還能照常使用。

　　STM32實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘和備份寄存器在待機(jī)模式下仍正常工作，因此，實(shí)時(shí)時(shí)鐘可以作為待機(jī)喚醒的信號(hào)源，而且在系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式前，備份寄存器還可以保存一些重要的參數(shù)值。

　　增添電源開(kāi)關(guān)的方法大幅度提高了微控制器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，因?yàn)樗螅?br />
　　●電壓區(qū)之間的隔離變得更加復(fù)雜；
　　●可靠的電源開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)正確調(diào)整后，功耗可達(dá)到預(yù)期的水平(為避免小封裝上可用的GPIO數(shù)量減少，內(nèi)部實(shí)時(shí)時(shí)鐘電壓區(qū)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(dāng)VDD不存在時(shí)Vbat電壓的升高不應(yīng)產(chǎn)生意外狀態(tài)(鈕扣電池可能在生產(chǎn)線上被焊接到產(chǎn)品內(nèi)，這時(shí)不應(yīng)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(qū)在轉(zhuǎn)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(yīng)用

　　盡管在應(yīng)用層面考慮了在待機(jī)狀態(tài)下允許內(nèi)容丟失的情況，像STM32這樣的超低功耗待機(jī)和多電壓電源架構(gòu)仍不失為一個(gè)有效的解決方案，它允許應(yīng)用系統(tǒng)在運(yùn)行模式下實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的性能，同時(shí)降低靜態(tài)功耗對(duì)待機(jī)狀態(tài)的影響。此外，在STM32內(nèi)集成獨(dú)立的功能(如實(shí)時(shí)時(shí)鐘)，使設(shè)計(jì)工程師能夠快速高效地開(kāi)發(fā)電池供電的應(yīng)用設(shè)備，并充分利用產(chǎn)品的電源能效。