基于STM32芯片的電源監控器應用方案

電源對電子設備的重要性不言而喻，它是保證系統穩定運行的基礎，而保證系統能穩定運行后，又有低功耗的要求。在很多應用場合中都對電子設備的功耗要求非常苛刻，如某些傳感器信息采集設備，僅靠小型的電池提供電源，要求工作長達數年之久，且期間不需要任何維護；由于智慧穿戴設備的小型化要求，電池體積不能太大導致容量也比較小，所以也很有必要從控制功耗入手，提高設備的續行時間。因此，STM32 有專門的電源管理外設監控電源并管理設備的運行模式，確保系統正常運行，并盡量降低器件的功耗。

?電源監控器

STM32芯片主要通過引腳 VDD 從外部獲取電源，在它的內部具有電源監控器用于檢測 VDD的電壓，以實現復位功能及掉電緊急處理功能，保證系統可靠地運行。

1. 上電復位與掉電復位（POR與 PDR）

當檢測到 VDD 的電壓低于閾值 VPOR及 VPDR 時，無需外部電路輔助，STM32 芯片會自動保持在復位狀態，防止因電壓不足強行工作而帶來嚴重的后果。見圖 45-1，在剛開始電壓低于 VPOR時（約 1.72V），STM32 保持在上電復位狀態（POR，Power On Reset），當VDD 電壓持續上升至大于 VPOR時，芯片開始正常運行，而在芯片正常運行的時候，當檢測到 VDD 電壓下降至低于 VPDR閾值（約 1.68V），會進入掉電復位狀態（PDR，Power Down Reset）。

2. 欠壓復位（BOR）

POR與 PDR的復位電壓閾值是固定的，如果用戶想要自行設定復位閾值，可以使用STM32的 BOR功能（ Brownout Reset ）。它可以編程控制電壓檢測工作在表 45-1 中的閾值級別，通過修改“選項字節”（某些特殊寄存器）中的 BOR_LEV 位即可控制閾值級別。其復位控制示意圖見圖 45-2。

3. 可編程電壓檢測器 PVD

上述 POR、PDR以及 BOR功能都是使用其電壓閾值與外部供電電壓 VDD 比較，當低于工作閾值時，會直接進入復位狀態，這可防止電壓不足導致的誤操作。除此之外，STM32還提供了可編程電壓檢測器 PVD，它也是實時檢測 VDD的電壓，當檢測到電壓低于 VPVD閾值時，會向內核產生一個 PVD 中斷（EXTI16 線中斷）以使內核在復位前進行緊急處理。該電壓閾值可通過電源控制寄存器 PWR_CSR設置。

使用 PVD可配置 8 個等級，見表 45-2。其中的上升沿和下降沿分別表示類似圖 45-2中 VDD電壓上升過程及下降過程的閾值。

?STM32 的電源系統

為了方便進行電源管理，STM32 把它的外設、內核等模塊跟據功能劃分了供電區域，其內部電源區域劃分見圖 45-3。

從框圖了解到，STM32的電源系統主要分為備份域電路、內核電路以及 ADC電路三部分，介紹如下：

?備份域電路

STM32的 LSE 振蕩器、RTC、備份寄存器及備份 SRAM這些器件被包含進備份域電路中，這部分的電路可以通過 STM32的 VBAT引腳獲取供電電源，在實際應用中一般會使用 3V的鈕扣電池對該引腳供電。

在圖中備份域電路的左側有一個電源開關結構，它的功能類似圖 45-4 中的雙二極管，在它的上方連接了 VBAT 電源，下方連接了 VDD主電源（一般為 3.3V），右側引出到備份域電路中。當 VDD主電源存在時，由于 VDD電壓較高，備份域電路通過 VDD 供電，當 VDD掉電時，備份域電路由鈕扣電池通過 VBAT 供電，保證電路能持續運行，從而可利用它保留關鍵數據。

?調壓器供電電路

在 STM32 的電源系統中調壓器供電的電路是最主要的部分，調壓器為備份域及待機電路以外的所有數字電路供電，其中包括內核、數字外設以及 RAM，調壓器的輸出電壓約為 1.2V，因而使用調壓器供電的這些電路區域被稱為 1.2V 域。調壓器可以運行在“運行模式”、“停止模式”以及“待機模式”。在運行模式下，1.2V 域全功率運行；在停止模式下 1.2V 域運行在低功耗狀態，1.2V 區域的所有時鐘都被關閉，相應的外設都停止了工作，但它會保留內核寄存器以及SRAM的內容；在待機模式下，整個 1.2V域都斷電，該區域的內核寄存器及SRAM內容都會丟失（備份區域的寄存器及 SRAM 不受影響）。

ADC 電源及參考電壓

為了提高轉換精度，STM32 的 ADC 配有獨立的電源接口，方便進行單獨的濾波。ADC 的工作電源使用 VDDA引腳輸入，使用 VSSA作為獨立的地連接，VREF引腳則為 ADC提供測量使用的參考電壓。

STM32的功耗模式

按功耗由高到低排列，STM32具有運行、睡眠、停止和待機四種工作模式。上電復位后 STM32 處于運行狀態時，當內核不需要繼續運行，就可以選擇進入后面的三種低功耗模式降低功耗，這三種模式中，電源消耗不同、喚醒時間不同、喚醒源不同，用戶需要根據應用需求，選擇最佳的低功耗模式。三種低功耗的模式說明見表 45-3。

從表中可以看到，這三種低功耗模式層層遞進，運行的時鐘或芯片功能越來越少，因而功耗越來越低。

1. 睡眠模式

在睡眠模式中，僅關閉了內核時鐘，內核停止運行，但其片上外設，CM4核心的外設全都還照常運行。有兩種方式進入睡眠模式，它的進入方式決定了從睡眠喚醒的方式，分別是 WFI（wait for interrupt）和 WFE（wait for event），即由等待“中斷”喚醒和由“事件”喚醒。睡眠模式的各種特性見表 45-4。

VDD

2. 停止模式

在停止模式中，進一步關閉了其它所有的時鐘，于是所有的外設都停止了工作，但由于其 1.2V 區域的部分電源沒有關閉，還保留了內核的寄存器、內存的信息，所以從停止模

式喚醒，并重新開啟時鐘后，還可以從上次停止處繼續執行代碼。停止模式可以由任意一個外部中斷（EXTI）喚醒。在停止模式中可以選擇電壓調節器為開模式或低功耗模式，可選

擇內部 FLASH 工作在正常模式或掉電模式。停止模式的各種特性見表 45-5。

3. 待機模式

待機模式，它除了關閉所有的時鐘，還把 1.2V 區域的電源也完全關閉了，也就是說，從待機模式喚醒后，由于沒有之前代碼的運行記錄，只能對芯片復位，重新檢測 boot 條件，從頭開始執行程序。它有四種喚醒方式，分別是 WKUP（PA0）引腳的上升沿，RTC 鬧鐘事件，NRST 引腳的復位和 IWDG（獨立看門狗）復位。

在以上講解的睡眠模式、停止模式及待機模式中，若備份域電源正常供電，備份域內的 RTC 都可以正常運行、備份域內的寄存器及備份域內的 SRAM數據會被保存，不受功耗模式影響。

電源管理相關的庫函數及命令

2.1 配置 PVD監控功能

PVD可監控 VDD 的電壓，當它低于閾值時可產生 PVD中斷以讓系統進行緊急處理，這個閾值可以直接使用庫函數 PWR_PVDLevelConfig 配置成前面表 45-2 中說明的閾值等級。

2.2 WFI與 WFE命令

我們了解到進入各種低功耗模式時都需要調用 WFI 或 WFE 命令，它們實質上都是內核指令，在庫文件 core_cmInstr.h 中把這些指令封裝成了函數，見代碼清單 24-1。

對于這兩個指令，我們應用時一般只需要知道，調用它們都能進入低功耗模式，需要使用函數的格式“__WFI（）;”和“__WFE（）;”來調用（因為__wfi及__wfe 是編譯器內置的函數，函數內部使用調用了相應的匯編指令）。其中 WFI指令決定了它需要用中斷喚醒，而WFE 則決定了它可用事件來喚醒，關于它們更詳細的區別可查閱《cortex-CM3/CM4權威指南》了解。

2.3 進入停止模式

直接調用 WFI和 WFE 指令可以進入睡眠模式，而進入停止模式則還需要在調用指令前設置一些寄存器位，STM32標準庫把這部分的操作封裝到 PWR_EnterSTOPMode函數中

了，它的定義見代碼清單 43-2。

這個函數有兩個輸入參數，分別用于控制調壓器的模式及選擇使用 WFI 或 WFE 停止，代碼中先是根據調壓器的模式配置 PWR_CR寄存器，再把內核寄存器的 SLEEPDEEP 位置1，這樣再調用 WFI或 WFE命令時，STM32就不是睡眠，而是進入停止模式了。函數結尾處的語句用于復位 SLEEPDEEP 位的狀態，由于它是在 WFI及 WFE 指令之后的，所以這部分代碼是在 STM32 被喚醒的時候才會執行。要注意的是進入停止模式后，STM32的所有 I/O 都保持在停止前的狀態，而當它被喚醒時，STM32 使用 HSI作為系統時鐘（16MHz）運行，由于系統時鐘會影響很多外設的工作狀態，所以一般我們在喚醒后會重新開啟 HSE，把系統時鐘設置會原來的狀態。前面提到在停止模式中還可以控制內部 FLASH 的供電，控制 FLASH 是進入掉電狀態還是正常供電狀態，這可以使用庫函數 PWR_FlashPowerDownCmd 配置，它其實只是封裝了一個對 FPDS寄存器位操作的語句，見代碼清單 45-3。這個函數需要在進入停止模式前被調用，即應用時需要把它放在上面的 PWR_EnterSTOPMode 之前。

2.4 進入待機模式

類似地，STM32 標準庫也提供了控制進入待機模式的函數，其定義見代碼清單 43-3。