第30章 电源管理-实现低功耗
第三十章 电源管理-实现低功耗
1. STM32的电源管理简介
电源对电子设备的重要性不言而喻，它是保证系统稳定运行的基础，而保证系统能稳定运行后，又有低功耗的要求。 在很多应用场合中都对电子设备的功耗要求非常苛刻，如某些传感器信息采集设备，仅靠小型的电池提供电源，要求工作长达数年之久， 且期间不需要任何维护；由于智慧穿戴设备的小型化要求，电池体积不能太大导致容量也比较小，所以也很有必要从控制功耗入手， 提高设备的续行时间。因此，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。
1.1 电源监控器
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。
1.1.1 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。在刚开始电压低于VPOR时(约1.92V)， 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1.88V)，会进入掉电复位状态(PDR，Power Down Reset)。
1.1.2 可编程电压检测器PVD
上述POR、PDR功能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，当检测到电压低于编程的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，见表：
1.2 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：
- ADC电源及参考电压（VDDA供电区域）
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。
- 调压器供电电路（VDD/1.8V供电区域）
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1.8V，因而使用调压器供电的这些电路区域被称为1.8V域。
调压器可以运行在“运行模式”、“停止模式”以及“待机模式”。在运行模式下，1.8V域全功率运行；在停止模式下1.8V域运行在低功耗状态， 1.8V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；在待机模式下，整个1.8V域都断电， 该区域的内核寄存器及SRAM内容都会丢失(备份区域的寄存器不受影响)。
- 备份域电路（后备供电区域）
STM32的LSE振荡器、RTC及备份寄存器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，它的功能类似双二极管结构中的双二极管， 在它的“1”处连接了VBAT电源，“2”处连接了VDD主电源(一般为3.3V)， 右侧“3”处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，节省钮扣电池的电源，仅当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。
1.3 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。三种低功耗的模式说明见表
从表中可以看到，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。
1.3.1 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，CM3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)和WFE(wait for event)，即由等待“中断”唤醒和由“事件”唤醒。 睡眠模式的各种特性见表
1.3.2 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1.8V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。 停止模式的各种特性见表
1.3.3 待机模式
待机模式，它除了关闭所有的时钟，还把1.8V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引脚的复位和IWDG(独立看门狗)复位。
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，备份域内的寄存器的数据会被保存，不受功耗模式影响。
2. 电源管理相关的库函数及命令
STM32标准库对电源管理提供了完善的函数及命令，使用它们可以方便地进行控制，本小节对这些内容进行讲解。
2.1 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。
2.2 WFI与WFE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_cm3.h中把这些指令封装成了函数
/** brief 等待中断
等待中断 是一个暂停执行指令
暂停至任意中断产生后被唤醒
*/
#define __WFI __wfi
/** brief 等待事件
等待事件 是一个暂停执行指令
暂停至任意事件产生后被唤醒
*/
#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
2.3 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函数中了
/**
* @brief 进入停止模式
*
* @note 在停止模式下所有I/O的会保持在停止前的状态
* @note 从停止模式唤醒后，会使用HSI作为时钟源
* @note 调压器若工作在低功耗模式，可减少功耗，但唤醒时会增加延迟
* @param PWR_Regulator: 设置停止模式时调压器的工作模式
* @arg PWR_MainRegulator_ON: 调压器正常运行
* @arg PWR_Regulator_LowPower: 调压器低功耗运行
* @param PWR_STOPEntry: 设置使用WFI还是WFE进入停止模式
* @arg PWR_STOPEntry_WFI: WFI进入停止模式
* @arg PWR_STOPEntry_WFE: WFE进入停止模式
* @retval None
*/
void PWR_EnterSTOPMode(uint32_t PWR_Regulator, uint8_t PWR_STOPEntry)
{
uint32_t tmpreg = 0;
/* 检查参数 */
assert_param(IS_PWR_REGULATOR(PWR_Regulator));
assert_param(IS_PWR_STOP_ENTRY(PWR_STOPEntry));
/* 设置调压器的模式 ------------*/
tmpreg = PWR->CR;
/* 清除 PDDS 及 LPDS 位 */
tmpreg &= CR_DS_MASK;
/* 根据PWR_Regulator 的值(调压器工作模式)配置LPDS,MRLVDS及LPLVDS位*/
tmpreg |= PWR_Regulator;
/* 写入参数值到寄存器 */
PWR->CR = tmpreg;
/* 设置内核寄存器的SLEEPDEEP位 */
SCB->SCR |= SCB_SCR_SLEEPDEEP;
/* 设置进入停止模式的方式-----------------*/
if (PWR_STOPEntry == PWR_STOPEntry_WFI) {
/* 需要中断唤醒 */
__WFI();
} else {
/* 需要事件唤醒 */
__WFE();
}
/* 以下的程序是当重新唤醒时才执行的，清除SLEEPDEEP位的状态 */
SCB->SCR &= (uint32_t)~((uint32_t)SCB_SCR_SLEEPDEEP);
}
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，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(8MHz)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。
2.4 进入待机模式
类似地，STM32标准库也提供了控制进入待机模式的函数
/**
* @brief 进入待机模式
* @note 待机模式时，除以下引脚，其余引脚都在高阻态:
* -复位引脚
* - RTC_AF1 引脚 (PC13) (需要使能侵入检测、时间戳事件或RTC闹钟事件)
* - RTC_AF2 引脚 (PI8) (需要使能侵入检测或时间戳事件)
* - WKUP 引脚 (PA0) (需要使能WKUP唤醒功能)
* @note 在调用本函数前还需要清除WUF寄存器位
* @param None
* @retval None
*/
void PWR_EnterSTANDBYMode(void)
{
/* 清除 Wake-up 标志 */
PWR->CR |= PWR_CR_CWUF;
/* 选择待机模式 */
PWR->CR |= PWR_CR_PDDS;
/* 设置内核寄存器的SLEEPDEEP位 */
SCB->SCR |= SCB_SCR_SLEEPDEEP;
/* 存储操作完毕时才能进入待机模式，使用以下语句确保存储操作执行完毕 */
#if defined ( __CC_ARM )
__force_stores();
#endif
/* 等待中断唤醒 */
__WFI();
}
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。
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。
3. 三种模式之比较
3.1 睡眠模式 (Sleep Mode)
- 功耗：较低，但仍然会消耗一些电流。
- 特点：CPU停止运行，但外设可以继续工作。
- 唤醒时间：快速，通常在微秒级。
- 优点：适用于需要保持外设活动（如定时器、UART等）的场景，响应迅速。
- 缺点：功耗相对较高，不适合需要极低功耗的应用。
3.2 停止模式 (Stop Mode)
- 功耗：非常低，通常在微安级别。
- 特点：CPU和大部分外设都会关闭，只有少数外设（如RTC）可以保持工作。
- 唤醒时间：较快，通常在微秒级，但稍慢于睡眠模式。
- 优点：在需要更低功耗的情况下非常有效。
- 缺点：外设的可用性受限，必须使用特定的外设来唤醒MCU。
3.3 待机模式 (Standby Mode)
- 功耗：最低，几乎为零，只有极少的电流用于保持状态。
- 特点：所有外设关闭，只有特定的唤醒源（如GPIO或外部中断）可以唤醒MCU。
- 唤醒时间：相对较慢，可能需要几毫秒。
- 优点：适合长时间不需要运行的应用，能有效延长电池寿命。
- 缺点：唤醒时间长，且在此模式下无法进行其他操作。
3.4 总结
- 睡眠模式适合需要快速响应且部分外设仍需运行的情况。
- 停止模式适合需要较低功耗的应用，且可以通过特定外设唤醒。
- 待机模式适合需要极低功耗的应用，但唤醒时间较长，外设功能受限。
2024.9.25 第一次修订，后期不再维护
2025.1.29 修订部分内容
浙公网安备 33010602011771号