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                彩乐乐网发烧友网 > 电源/新能源 > 正文

                基于STM32芯片▼的电源监控器应用方案

                2020年09月12日 10:56 ? 次阅读

                电源对彩乐乐网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♀多应用场合中都对彩乐乐网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。

                ?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. 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。见图 45-1,在︼刚开始电压低于 VPOR时(约 1.72V),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 1.68V),会进入掉电复位状态(PDR,Power Down Reset)。

                2. 欠压复位(BOR)

                POR与 PDR的复位电压阈值是固定的,如果用户想要①自行设定复位阈值,可以使用STM32的 BOR功能( Brownout Reset )。它可︼以编程控制电压检测工作在表 45-1 中的阈值级别,通过修改“选项字节”(某些特殊寄存器)中的 BOR_LEV 位即可控制阈值级别。其复位控制示意图见图 45-2。

                3. 可编程电压检测器 PVD

                上述 POR、PDR以及 BOR功能都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 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 45-2。其中的上升沿和下降沿№分别表示类似图 45-2中 VDD电压上升过程及下降过程的阈值。

                ?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 45-3。

                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:

                • ?备份域电路

                STM32的 LSE 振荡器、RTC、备份寄存器ㄨ及备份 SRAM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,它的功能类似图 45-4 中的双二极管,在它的』上方连接了 VBAT 电源,下方连接了 VDD主电源(一般为 3.3V),右侧引出到备份域电路∏中。当 VDD主电源存〇在时,由于 VDD电压较高,备份域电路通过 VDD 供电,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。

                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 1.2V,因而使用调压器供电的↙这些电路区域被称为 1.2V 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,1.2V 域全功率运行;在停止模式下 1.2V 域运行在低功耗状〓态,1.2V 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 1.2V域都断电,该区域的内核寄存器及SRAM内容都会丢失(备份区域的寄存器及 SRAM 不受影响)。

                • ADC 电源及参考电压

                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。

                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 45-3。

                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①低。

                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,CM4核心←的外设全都还照常运行。有两种方式进入睡眠々模式,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 45-4。

                VDD

                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 1.2V 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,可选

                择内部 FLASH 工作在正常模式或掉电模式。停止模式的各种特性见表 45-5。

                3. 待机模式

                待机模式,它除了关闭所有的时钟,还把 1.2V 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、备份域内的寄存器及备份域内的 SRAM数∑ 据会被保存,不受功耗模式影响。

                电源管理相关的库函数及命令

                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 45-2 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_cmInstr.h 中〓把这些指令封装成了函数,见代码清◤单 24-1。

                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_cmInstr.h 中把这些指令封装成了函数,见★代码清单 24-1。

                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,函数内部使用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,关于它们更详细的区别可查阅《cortex-CM3/CM4权威指南》了解。

                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,它的定义见代码清单 43-2。

                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就ぷ不是睡眠,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(16MHz)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,把系统时钟设置会原来的状↘态。前面提到在停止模式中还可以控制内部 FLASH 的供电,控制 FLASH 是进入掉电状态还是正常供电状态,这可以使用」库函数 PWR_FlashPowerDownCmd 配置,它其实只是封装了一个对 FPDS寄存器位操作的语句,见代码清单 45-3。这个函数需要在进入停止模式前被调用,即应用时需要把它放在上面的 PWR_EnterSTOPMode 之前。

                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,其定】义见代码清单 43-3。

                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;另外,由于这个函数◣没有操作 WUF寄存器位,所以在实际应用中,调用本函数前↓,还需要☆清空 WUF寄存器位才能进入待机模式。

                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。

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                发表于 2019-02-11 10:00? 10132次阅读
                STM32单片机VDD与VDDA的供电方案

                提几点单片机设㊣计初期EMC的小建议

                首先介绍一下这样做的优点:采用低的晶振和总线频率使得我们可以选择较小的单片机满足时序的要求,这样单片....
                发表于 2018-12-02 11:41? 2555次阅读
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                STM32的基本系统是怎样的?

                无论是否使用模拟部分和AD部分,MCU外围出去VCC和GND,VDDA、VSSA、Vref(如果封装....
                发表于 2018-10-03 11:54? 2774次阅读
                STM32的基本系统是怎样的?

                Allegro最近推出一款完全集成的小尺寸电源监...

                ACS71020 采用了 Allegro 创新的霍尔效应电流传感器技术,增加了线电压检测(电压电平>....
                发表于 2018-09-05 11:42? 3315次阅读
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                采用LDO的复位输出作为处理器的复位控制信号

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                发表于 2018-08-28 10:12? 2658次阅读
                采用LDO的复位输出作为处理器的复位控制信号

                一文轻松让你秒懂DDR硬件设计

                DDR硬件◎设计要点 1、电源 DDR的电源可以分为三类: a、主电源VDD和VDDQ,主电源的要求@是....
                发表于 2018-07-17 10:03? 8776次阅读
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                采用SOC构建块实现电源监控的方法

                电源监控器的作用是控制系统的负载点(POL)以使电源轨满足规范要求。POL可以是模拟也可以是数字的,....
                发表于 2018-02-10 14:51? 926次阅读
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                电力操作电源监控系统对电源监测和管理的设々计方案

                电力操作电源监测系统是随着电力系统自动化运行而产生的,该系统可以对变电站@ 中的交流供电电源、直流控制电....
                发表于 2017-12-06 05:20? 1794次阅读
                电力操作电源监控系统对电源监测和管理的设计方案