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

　　不過，作為復(fù)雜設(shè)計的回報，STM32獲得了真正的超低功耗待機(jī)，有助于應(yīng)用開發(fā)人員優(yōu)化電池使用時間。

　　STM32的功率模式及優(yōu)化的電池使用時間

　　因為實現(xiàn)了雙電壓區(qū)，STM32提供了兩個不同的低功耗模式：停止模式和待機(jī)模式。兩個功能中電壓監(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)，但是時鐘停止運行。通過內(nèi)部阻容振蕩器，穩(wěn)壓器提供極短的重啟時間(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)，但是這個模式無法減輕泄漏電流問題，因為泄漏電流會隨著溫度以冪數(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)，電流幾乎不會隨溫度升高(在85℃下，一個典型器件的電流為2.4mA)。不過，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)、喚醒信號源)；
　　●考慮最惡劣的但是能夠保證應(yīng)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(jī)時間開始的重啟時間是多少，是否達(dá)到應(yīng)用對重啟時間的要求；
　　●檢查待機(jī)模式是否比停止模式省電，在兩個事件之間，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。

　　這些問題與應(yīng)用有關(guān)，待機(jī)模式重啟時間包括從喚醒到讀取復(fù)位向量這個過程所用的時間，待機(jī)模式重啟時間取決于硬件(穩(wěn)壓器啟動時間，STM32的時鐘源啟動時間大約為40ms)和軟件恢復(fù)應(yīng)用環(huán)境所需的時間。軟件通常必須檢查喚醒信號源，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。

　　因為待機(jī)軟啟動與軟件有關(guān)，所以在喚醒階段消耗的能量也與應(yīng)用有關(guān)。一個實用的估計能量損耗的方法是，在一個時限內(nèi)(從喚醒后到軟件立即回到待機(jī)模式)生成數(shù)個給定的喚醒信號，然后比較在喚醒信號沒有生成時的平均電流消耗。為了優(yōu)化待機(jī)模式啟動時間，開發(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初始化過程)。

　　含有自動電源開關(guān)的實時時鐘及數(shù)據(jù)備份專用電壓區(qū)

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

　　可以在一個備用電壓區(qū)內(nèi)，把所有這些功能都直

接集成在微控制器上。不過，實時時鐘功能通常應(yīng)在很長時期（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。為實時時鐘設(shè)計第三個電壓區(qū)，并設(shè)置一個實時時鐘電源專用引腳，就可以使用一個很小的專用鈕扣電池給實時時鐘供電，同時主應(yīng)用由另一個主要電源供電，這樣鈕扣電池只給實時時鐘和相關(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，實現(xiàn)第三電壓區(qū)也不是最完美的，因為當(dāng)主電源可用時，鈕扣電池仍然給實時時鐘和備份寄存器供電。為此，STM32采用了一個聰明的延長實時時鐘電池使用時間的方法，具體做法是給實時時鐘和備份寄存器增加一個電源開關(guān)，當(dāng)主電源可用時，從主電源給實時時鐘和備份寄存器供電；當(dāng)主電源不可用時，從電池給實時時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)控制器通過一個閂鎖機(jī)制向電源開關(guān)發(fā)布命令，當(dāng)發(fā)現(xiàn)VDD電壓低于VDD的下限時，開關(guān)把實時時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，開關(guān)自動選擇VDD給這個特殊的電壓區(qū)供電。

　　采用電源開關(guān)設(shè)計還有另外一個優(yōu)點，軟件對這個特殊的電壓區(qū)讀寫操作(通過電平轉(zhuǎn)換器)產(chǎn)生的額外動態(tài)功耗決不會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(jù)實時時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間。

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

　　STM32實現(xiàn)的實時時鐘和備份寄存器在待機(jī)模式下仍正常工作，因此，實時時鐘可以作為待機(jī)喚醒的信號源，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。

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

　　●電壓區(qū)之間的隔離變得更加復(fù)雜；
　　●可靠的電源開關(guān)設(shè)計，經(jīng)過正確調(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)部實時時鐘電壓區(qū)沒有外部引腳，因此無需增添去耦合電容器)；
　　●考慮到了不增加Vbat靜態(tài)功耗的各種啟動情況，例如，當(dāng)VDD不存在時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)，這時不應(yīng)有額外的功率消耗，否則電池的電量會被白白地消耗掉)；
　　●實時時鐘電壓區(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)仍不失為一個有效的解決方案，它允許應(yīng)用系統(tǒng)在運行模式下實現(xiàn)優(yōu)異的性能，同時降低靜態(tài)功耗對待機(jī)狀態(tài)的影響。此外，在STM32內(nèi)集成獨立的功能(如實時時鐘)，使設(shè)計工程師能夠快速高效地開發(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。