LV001-电源管理简介

一、STM32电源管理

1. 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。

2. 电源系统结构

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如图。我们可以看一下 STM32中文参考手册的4.1 电源一节：

①、VDDA供电区域：该部分为ADC、 DAC等部分模拟外设供电。如 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。独立出电源方便添加一些去耦电容进行滤波。该区域由VDDA输入， VSSA接地， VREF提供参考电压。

②、VDD供电区域：该部分为I/O、待机电路、电压调节器供电。电压调节器可以运行在“运行模式”、“停止模式” 和“待机模式”，为后面的1.8V供电区域供电。低功耗，实质就是对电压调节器进行配置，使其工作在不同的模式，实现低功耗。前面学习的IWDG属于VDD供电区域，不受低功耗模式影响，系统处于低功耗模式也能正常工作。

③、1.8V供电区域：该部分为CPU核心、存储器以及数字部分外设供电。电压调节器为其提供1.8V左右电压，因此本区域被称为1.8V供电区域。电压调节器处于运行模式时，本区域正常运行；处于停止模式时，本区域所有时钟关闭，外设保持“暂停”状态，会保留内核寄存器以及SRAM内容；处于待机模式时，本区域断电，所有寄存器（后备供电区域的寄存器除外）和SRAM数据丢失。

④、后备供电区域（备份域电路）：该部分为LSE 32K晶振、后备寄存器、 RCC BDCR寄存器和RTC供电。系统正常工作时，由VDD供电；系统突然调电时，由VBAT供电。本区域不受低功耗模式影响，比如电压调节器处于待机模式， RTC也正常工作，后备寄存器数据也不会丢失。一般在实际应用中，这一部分一般会使用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，它的功能类似下图的双二极管，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。

3. 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。

3.1 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 POR 与 PDR ，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)。

3.2 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，见下表：

其中的上升沿和下降沿分别表示类似图 POR与 PDR 中 VDD 电压上升过程及下降过程的阈值。

4. 电压调节器

复位后电压调节器总是使能的。根据应用方式它以3种不同的模式工作：

运转模式：调节器以正常功耗模式提供1.8V电源(内核，内存和外设)。
停止模式：调节器以低功耗模式提供1.8V电源，以保存寄存器和SRAM的内容。
待机模式：调节器停止供电。除了备用电路和备份域外，寄存器和SRAM的内容全部丢失。

二、STM32功耗模式

在系统或电源复位以后，微控制器处于运行状态。当CPU不需继续运行时，可以利用多种低功耗模式来节省功耗，例如等待某个外部事件时。用户需要根据最低电源消耗、最快速启动时间和可用的唤醒源等条件，选定一个最佳的低功耗模式。

1. 三种低功耗模式

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下表：

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。最低功耗的是待机模式，在此模式下，最低只需要 2uA 左右的电流。停机模式是次低功耗的，其典型的电流消耗在 20uA 左右。最后就是睡眠模式了。用户可以根据自己的需求来决定使用哪种低功耗模式。

2. 三种模式说明

【注意】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。

2.1 睡眠模式

该模式仅关闭CPU内核时钟，内核停止运行，但其它外设，包括内核外设（ NVIC、 SysTick等）依旧正常运行。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。如果通过“ WFI（ Wait for Interrupt） ”方式进入睡眠模式，则需要中断唤醒；如果通过“ WFE（ Waitfor Event）” 方式进入睡眠模式，则需要事件唤醒。睡眠模式的各种特性见下表：

2.2 停止模式

该模式进一步关闭HSI和HSE振荡器，使用高速时钟作为时钟源所有外设都停止运行，也就是说在停止模式中，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。电压调节器保持开启或低功耗模式，因此1.8V供电区域没有断电，SRAM、外设寄存器的数据依旧保留，不会消失。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下表：

停止模式下典型电流为20uA。

2.3 待机模式

待机模式，它除了关闭所有的时钟，进一步关闭电压调节器，因此1.8V区域的电源也完全关闭了，SRAM、外设寄存器的数据全部丢失。也就是说，从待机模式唤醒后，唤醒后效果类似复位。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。

待机模式理想状态下，只需要2uA电流。待机模式下的输入/输出端口状态在待机模式下，所有的I/O引脚处于高阻态，除了以下的引脚：

（1）复位引脚(始终有效) 。

（2）当被设置为防侵入或校准输出时的TAMPER引脚。

（3）被使能的唤醒引脚。

从待机模式唤醒后的代码执行等同于复位后的执行(采样启动模式引脚，读取复位向量等)。电源控制/状态寄存器(PWR_CSR)将会指示内核由待机状态退出。

三、相关寄存器

1. 电源控制寄存器(PWR_CR)

（1）设置PDDS位进入深度睡眠时进入待机模式。

（2）设置CWUF位，清除之前的WUF唤醒位。

2. 电源控制/状态寄存器(PWR_CSR)

（1）设置EWUP，使能WKUP引脚用于待机模式唤醒。

（2）WUF唤醒标志，用来判断是否发生唤醒事件。

四、库函数与命令

1. 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 cmsis_armcc.h 中把这些指令封装成了函数：

/**
  \brief   Wait For Interrupt
  \details Wait For Interrupt is a hint instruction that suspends execution until one of a number of events occurs.
 */
#define __WFI                             __wfi

/**
  \brief   Wait For Event
  \details Wait For Event is a hint instruction that permits the processor to enter
           a low-power state until one of a number of events occurs.
 */
#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，关于它们更详细的区别可查阅《cortex-CM3/CM4 权威指南》了解。

2. HAL_PWR_ConfigPVD()

/**
  * @brief  Configures the voltage threshold detected by the Power Voltage Detector(PVD).
  * @param  sConfigPVD: pointer to an PWR_PVDTypeDef structure that contains the configuration
  *         information for the PVD.
  * @note   Refer to the electrical characteristics of your device datasheet for
  *         more details about the voltage threshold corresponding to each
  *         detection level.
  * @retval None
  */
void HAL_PWR_ConfigPVD(PWR_PVDTypeDef *sConfigPVD)
{
    // ......
    assert_param(IS_PWR_PVD_LEVEL(sConfigPVD->PVDLevel));
    // ......
}

这个函数是配置PVD (Power voltage Detector)检测的电压阈值。主要是通过函数中的这一句完成阈值的配置：

assert_param(IS_PWR_PVD_LEVEL(sConfigPVD->PVDLevel));

#define IS_PWR_PVD_LEVEL(LEVEL) (((LEVEL) == PWR_PVDLEVEL_0) || ((LEVEL) == PWR_PVDLEVEL_1)|| \
                                 ((LEVEL) == PWR_PVDLEVEL_2) || ((LEVEL) == PWR_PVDLEVEL_3)|| \
                                 ((LEVEL) == PWR_PVDLEVEL_4) || ((LEVEL) == PWR_PVDLEVEL_5)|| \
                                 ((LEVEL) == PWR_PVDLEVEL_6) || ((LEVEL) == PWR_PVDLEVEL_7))

不同的等级就可以配置为不同的阈值。

3. HAL_PWR_EnterSLEEPMode()

/**
  * @brief Enters Sleep mode.
  * @note  In Sleep mode, all I/O pins keep the same state as in Run mode.
  * @param Regulator: Regulator state as no effect in SLEEP mode -  allows to support portability from legacy software
  * @param SLEEPEntry: Specifies if SLEEP mode is entered with WFI or WFE instruction.
  *           When WFI entry is used, tick interrupt have to be disabled if not desired as 
  *           the interrupt wake up source.
  *           This parameter can be one of the following values:
  *            @arg PWR_SLEEPENTRY_WFI: enter SLEEP mode with WFI instruction
  *            @arg PWR_SLEEPENTRY_WFE: enter SLEEP mode with WFE instruction
  * @retval None
  */
void HAL_PWR_EnterSLEEPMode(uint32_t Regulator, uint8_t SLEEPEntry);

这个函数用于进入睡眠模式。

4. HAL_PWR_EnterSTOPMode()

/**
  * @brief Enters Stop mode. 
  * @note  In Stop mode, all I/O pins keep the same state as in Run mode.
  * @note  When exiting Stop mode by using an interrupt or a wakeup event,
  *        HSI RC oscillator is selected as system clock.
  * @note  When the voltage regulator operates in low power mode, an additional
  *         startup delay is incurred when waking up from Stop mode. 
  *         By keeping the internal regulator ON during Stop mode, the consumption
  *         is higher although the startup time is reduced.    
  * @param Regulator: Specifies the regulator state in Stop mode.
  *          This parameter can be one of the following values:
  *            @arg PWR_MAINREGULATOR_ON: Stop mode with regulator ON
  *            @arg PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON: Stop mode with low power regulator ON
  * @param STOPEntry: Specifies if Stop mode in entered with WFI or WFE instruction.
  *          This parameter can be one of the following values:
  *            @arg PWR_STOPENTRY_WFI: Enter Stop mode with WFI instruction
  *            @arg PWR_STOPENTRY_WFE: Enter Stop mode with WFE instruction   
  * @retval None
  */
void HAL_PWR_EnterSTOPMode(uint32_t Regulator, uint8_t STOPEntry);

这个函数用于进入停止模式，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。

5. HAL_PWR_EnterSTANDBYMode()

/**
  * @brief Enters Standby mode.
  * @note  In Standby mode, all I/O pins are high impedance except for:
  *          - Reset pad (still available) 
  *          - TAMPER pin if configured for tamper or calibration out.
  *          - WKUP pin (PA0) if enabled.
  * @retval None
  */
void HAL_PWR_EnterSTANDBYMode(void);

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。

LV001-电源管理简介 ​

一、STM32电源管理 ​

1. 电源管理简介 ​

2. 电源系统结构 ​

3. 电源监控器 ​

3.1 上电复位与掉电复位 (POR 与 PDR) ​

3.2 可编程电压检测器 PVD ​

4. 电压调节器 ​

二、STM32功耗模式 ​

1. 三种低功耗模式 ​

2. 三种模式说明 ​

2.1 睡眠模式 ​

2.2 停止模式 ​

2.3 待机模式 ​

三、相关寄存器 ​

1. 电源控制寄存器(PWR_CR) ​

2. 电源控制/状态寄存器(PWR_CSR) ​

四、库函数与命令 ​

1. WFI与WFE命令 ​

2. HAL_PWR_ConfigPVD() ​

3. HAL_PWR_EnterSLEEPMode() ​

4. HAL_PWR_EnterSTOPMode() ​

5. HAL_PWR_EnterSTANDBYMode() ​