[STM32 - 野火] - - - 固件库学习笔记 - - -十一.电源管理系统

一、电源管理系统简介

电源管理系统是STM32硬件设计和系统运行的基础，它不仅为芯片本身提供稳定的电源，还通过多种电源管理功能优化功耗、延长电池寿命，并确保系统的可靠性和稳定性。

二、电源监控器

作用：保证STM32芯片工作在它自己要求的一个电压范围内。

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，保证系统地运行。

2.1 上电复位（POR）与掉电复位（PDR）

POR：Power On Reset；
PDR：Power Down Reset；

上电复位和掉电复位的波形图
当VDD/VDDA低于指定的限位电压VPOR/VPDR时，系统保持为复位状态，而无需外部复位电路。

  • 在刚开始上电，电压低于VPOR（约1.92V）时，系统保持在上电复位状态，当VDD电压持续上升到大于VPOR时，系统开始正常运行；

  • 在系统正常运行时，检测到VDD电压下降至低于VPDR阈值（约1.88V）时，系统会进入掉电复位状态。

VPOR与VPDR的差值大概在40mv。

2.2 可编程电压监控器（PVD）

除了POR与PDR功能，STM32还提供了PVD用于实时检测VDD电压：当检测到VDD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，该中断不用手动设置）以使内核在复位前进行紧急处理。

当VDD下降到PVD阀值以下和(或)当VDD上升到PVD阀值之上时，根据外部中断第16线的上升/下降边沿触发设置，就会产生PVD中断。

在这里插入图片描述
使用PVD可配置8个等级。

请添加图片描述

其中，上升沿和下降沿分别表示VDD电压上升过程及下降过程的阈值。

PVD可以理解为POR与PDR的升级版，对电压值可编程，复位前通过中断通知。

三、电源系统

请添加图片描述

STM32的电源系统主要分为ADC电路、调压器供电电路以及备份域电路三个部分。

3.1 ADC电路（VDDA供电区域）

ADC电路的工作电源使用VDDA引脚输入，使用VSSA作为独立的地连接，VRED引脚则为ADC提供测量使用的参考电压。

  • 为什么ADC配有单独的电源接口？

    • 为了提高转换精度，方便进行单独的滤波。

VDDA供电区域包含模数转换的一部分。

3.2 调压器供电电路（VDD/1.8V供电区域）

调压器供电电路是STM32电源系统中最主要的部分，为备份域及待机模式以外的所有数字电路供电，其中包括内核、数字外设（例如串口、GPIO口、CAN口等）以及RAM。

调压器的输出电压约为1.8V。

调压器可以工作在运行模式、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)；

除了后备供电区域外的所有数字逻辑都包含在VDD供电区域，VDD供电区只包含数字逻辑，不包含模拟。

CPU核心就是cortex m3内核，电压调节器用来调节供给cortex内核是否供电。换句话说，cortex核心由电压调节器单独供电。

3.3 备份域电路

备份域电路给晶振、时钟供电。

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。

在这里插入图片描述

上图中的电源开关结构，类似于下图中的二极管。
在这里插入图片描述

后备供电区域由VBAT与VDD选择供电：

  • 当主电源供电时，上面是3.3V大于下面纽扣电池的输出电压，主电源供电给MCU；
  • 当主电源掉电时，就由纽扣电池给MCU供电。

BDCR寄存器：备份域寄存器，可以往这个寄存器中存储一些数据，主电掉电后不会丢失（有纽扣电池）。

四、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。

在这里插入图片描述

4.1 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。

  • 进入睡眠模式：通过执行WFI（Wait For Interrupt）或WFE（Wait For Event）指令进入睡眠状态。

在这里插入图片描述
从睡眠模式唤醒后，程序会在进入睡眠模式的地方进行执行。

  • WFI与WFE的区别：

    • WFI需要进入中断服务函数中执行；
    • WFE不需要进入中断服务函数中执行，节省一点时间；

4.2 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。

在这里插入图片描述

  • 若调压器处于低功耗模式下，唤醒的时间要长一点。（等待调压器恢复）

  • 通过SLEEPDEEP位的设置，选择进入睡眠模式还是停止模式。（设置为0进入睡眠模式，设置为1进入停止模式）

4.3 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。

从待机模式唤醒，程序会从启动文件开始执行（相当于复位了）。

待机模式有四种唤醒方式，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。

在这里插入图片描述

  • 睡眠模式、停止模式以及待机待机模式，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。

  • 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。

5、实验设计

5.1 睡眠模式

// main.c文件
#include "stm32f10x.h"
#include "bsp_key.h"
#include "bsp_exti.h"
#include "bsp_systick.h"
#include "usart.h"

char str[10] = {0};

int main(void)
{
	EXTI_KEY1_Config();
	EXTI_KEY2_Config();
	
	USART_Config();
	
	printf("\r\n  睡眠前 \r\n");
	
	__WFI();
	
	printf("\r\n  唤醒后 \r\n");
	
	printf("\r\n  str：%s \r\n", str);
	
	while(1)
	{
		printf("\r\n  睡眠前 \r\n");

		__WFI();

		printf("\r\n  唤醒后 \r\n");

		printf("\r\n  str：%s \r\n", str);
	}
	
}

// stm32f10x_it.c
extern char str[10];
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
	if(EXTI_GetFlagStatus(EXTI_Line_KEY1) != RESET)
	{
		//LED_G_TOGGLE();
		strcpy(str, "按键1中断");
	}
	EXTI_ClearFlag(EXTI_Line_KEY1);
}

// 这里的中断名称不要写成 EXTI4_IRQHandler 
void EXTI15_10_IRQHandler(void)
{
	if(EXTI_GetFlagStatus(EXTI_Line_KEY2) != RESET)
	{
		//LED_B_TOGGLE();
		strcpy(str, "按键2中断");
	}
	EXTI_ClearFlag(EXTI_Line_KEY2);
}

void USART1_IRQHandler(void)
{
	uint8_t ucTemp;
	if(USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE) != RESET)
	{
		strcpy(str, "串口中断");
		ucTemp = USART_ReceiveData(DEBUG_USARTx);
		USART_SendData(DEBUG_USARTx, ucTemp);
	}
}

在这里插入图片描述
注意：不建议在中断服务函数中添加打印函数，可能会影响系统的运行速度。

  • 可以在中断服务函数中把要打印的数据赋值给变量，在主函数中打印。

在 USART1_IRQHandler 中断服务函数中，如果将函数内容改为：

void USART1_IRQHandler(void)
{
	uint8_t ucTemp;
	if(USART_GetFlagStatus(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE) != RESET)
	{
		strcpy(str, "串口中断");
	}
}

在串口上无法看到打印的数据，原因：

  • 没有清除接受中断标志位，中断标志位会一直保持在置位状态，导致中断服务函数一直被反复触发，程序一直执行中断服务函数，无法正常执行主函数逻辑。

  • 执行了USART_ReceiveData函数会自动清除RXNE标志位。

5.2 停止模式

// main.c文件
#include "stm32f10x.h"
#include "bsp_key.h"
#include "bsp_exti.h"
#include "bsp_rccclkconfig.h"
#include "bsp_systick.h"
#include "usart.h"

char str[10] = {0};

static void SYSCLKConfig_STOP(void);

int main(void)
{
	EXTI_KEY1_Config();
	EXTI_KEY2_Config();
	
	USART_Config();
	
	printf("\r\n  睡眠前 \r\n");
	SysTick_Delay_ms(500);
	
	PWR_EnterSTOPMode(PWR_Regulator_ON, PWR_STOPEntry_WFI);
	
	/* 恢复 HSE 时钟 */
	SYSCLKConfig_STOP();
	
	printf("\r\n  唤醒后 \r\n");
	
	printf("\r\n  str：%s \r\n", str);
	
	while(1)
	{

		
	}
	
}

/**
  * @brief  从停止模式唤醒后配置系统时钟:启用HSE、PLL并选择PLL作为系统时钟源。

  * @param  无
  * @retval 无
  */
static void SYSCLKConfig_STOP(void)
{
	/* After wake-up from STOP reconfigure the system clock */
	/* 使能 HSE */
	RCC_HSEConfig(RCC_HSE_ON);
	
	/* 等待 HSE 准备就绪 */
	while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_HSERDY) == RESET)
	{
	}
	
	/* 使能 PLL */
	RCC_PLLCmd(ENABLE);
	
	/* 等待 PLL 准备就绪 */
	while(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PLLRDY) == RESET)
	{
	}
	
	/* 选择PLL作为系统时钟 */
	RCC_SYSCLKConfig(RCC_SYSCLKSource_PLLCLK);
	
	/* 等待PLL被选择为系统时钟 */
	while(RCC_GetSYSCLKSource() != 0x08)
	{
	}
}

在这里插入图片描述

  • 进入了停止模式，退出时如果没有恢复HSE时钟，系统的时钟可能会与进入停止模式的时钟不同，导致一些其他问题，如串口发送错误：

在这里插入图片描述

5.3 待机模式

// main.c文件
#include "stm32f10x.h"
#include "bsp_exti.h"
#include "bsp_rccclkconfig.h"
#include "bsp_systick.h"
#include "usart.h"

char str[10] = {0};

static void SYSCLKConfig_STOP(void);

int main(void)
{
	USART_Config();
	
	printf("\r\n  睡眠前 \r\n");
	SysTick_Delay_ms(500);
	
	// 进入待机模式必须开启PWR时钟
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE);
	
	// 使能 PA0 引脚上升沿唤醒
	PWR_WakeUpPinCmd(ENABLE);
	PWR_EnterSTANDBYMode();
	
	printf("\r\n  唤醒后 \r\n");
	
	printf("\r\n  str：%s \r\n", str);
	
	while(1)
	{

		
	}
	
}

在这里插入图片描述
注意：

  • 1、进入待机模式时必须开启PWR时钟；

  • 2、使用PA0引脚上升沿唤醒，调用PWR_WakeUpPinCmd(ENABLE)即可；

  • 3、PA0 引脚上升沿唤醒与复位键唤醒效果相同，系统都会从头开始运行。

5.4 PVD检测

PVD会产生EXTI16中断。

// main.c文件
#include "stm32f10x.h"
#include "bsp_exti.h"
#include "bsp_led.h"
#include "bsp_rccclkconfig.h"
#include "bsp_systick.h"
#include "usart.h"
#include "bsp_pvd.h"


int main(void)
{
	
	PVD_Config();

	USART_Config();
	
	while(1)
	{

		
	}
	
}


// bsp_pvd.c文件
#include "bsp_pvd.h"

static void EXTI_PVD_NVIC_Config(void)
{
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
	
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);
	
	NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = PVD_IRQn;
	NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
	NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
	NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
}


void PVD_Config(void)
{
	EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStruct;
	
	// 配置 NVIC 
	EXTI_PVD_NVIC_Config();
	
	// 开启 PWR 时钟
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_PWR, ENABLE);
	
	/* 选择EXTI的信号源 */
	EXTI_InitStruct.EXTI_Line = EXTI_Line16;
	
	/* EXTI为中断模式 */
	EXTI_InitStruct.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
	
	/* 上升沿中断 */
	EXTI_InitStruct.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
	
	/* 使能中断 */
	EXTI_InitStruct.EXTI_LineCmd = ENABLE;
	EXTI_Init(&EXTI_InitStruct);
	
	// 3.3V 引脚 的电压低于2.6V会产生中断，其中3.3V引脚与STM32的VDD引脚相连
	PWR_PVDLevelConfig(PWR_PVDLevel_2V6);
	
	PWR_PVDCmd(ENABLE);
}

// bsp_pvd.h文件
#ifndef __BSP_PVD_H
#define __BSP_PVD_H

#include "stm32f10x.h"

void PVD_Config(void);

#endif /* __BSP_PVD_H */

// stm32f10x_it.c文件
void PVD_Handler(void)
{
	if(PWR_GetFlagStatus(PWR_FLAG_PVDO) == SET)
	{
		// 此处做电压下降的紧急处理
		LED_B(ON);
	}
	EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line16);
}

请添加图片描述

PVD监控VDD的引脚电压，当VDD引脚电压低于设定值时产生PVD中断。

另外，

  • 进入睡眠模式、停止模式、待机模式后，不能使用调试功能。

  • 进入低功耗模式后，程序下载不进去，解决方法：

    • 1、退出低功耗模式再下载（SWD、SCK引脚没有被更改为其他模式）；

    • 2、接RST复位引脚或按复位按键；

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