利用多电压架构在32位MCU上实现高性能和超低功耗待机模式
在微控制器芯片上分离电压区会遇到很多设计限制因素，例如：
●必须在后备电压区实现完整的唤醒和模拟电路，结果很难提供大量的唤醒信号源；
●必须在断电期间分离两个电压区(内核电压传出的所有信号都是浮空的) ；
●需要以特殊的顺序停止时钟源，电源断电/上电必须可靠。例如，主内核电压逻辑电路需要一个专用复位；
●因为两个电压区在电压和工艺方面几乎是相互独立的，而在温度方面却是相互关联的，所以必须考虑到两个电压区的时序限制。这意味着在时序分析过程中必须兼顾更多的情况(例如，电压和工艺最差的备用电压区，以及工艺和电压最好的主内核电压区) ；
●为防止程序意外地进入待机模式输入，必须在备用电压区内实现某些安全功能，如看门狗；
●为了保证产品在小封装内拥有32位的性能，还必须保持可用I/O与I/O总个数的比例。在STM32上，主内核稳压器无需外部去耦合电容器，所以这个产品并没有因为是双电压区而损失封装上的引脚，即没有采用额外的电源输入。本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/178018.htm
不过，作为复杂设计的回报，STM32获得了真正的超低功耗待机，有助于应用开发人员优化电池使用时间。
STM32的功率模式及优化的电池使用时间
因为实现了双电压区，STM32提供了两个不同的低功耗模式：停止模式和待机模式。两个功能中电压监控器都是导通的，以便在出现电压下降时保护应用。
在停止模式下，低功耗稳压器保持通态，但是时钟停止运行。通过内部阻容振荡器，稳压器提供极短的重启时间(10mS)，并保留软件环境。在环境温度下的典型电流为15mA(3.3V)，但是这个模式无法减轻泄漏电流问题，因为泄漏电流会随着温度以幂数形式升高。
在待机模式下，稳压器是断态，在环境温度下电流消耗为2mA(3.3V)，电流几乎不会随温度升高(在85℃下，一个典型器件的电流为2.4mA)。不过，待机模式重启意味着软件内容丢失，RAM、内核和大多数外设寄存器都会丢失数据。
为具体应用选择最佳的模式能够极大地影响电池的使用寿命，下面是在选择省电方式时应考虑的基本要求。
●检查微控制器的待机状态是否符合应用要求(例如，I/O待机状态、唤醒信号源)；
●考虑最恶劣的但是能够保证应用功能正常运行的温度条件对电池使用寿命的影响；
●检查从待机时间开始的重启时间是多少，是否达到应用对重启时间的要求；
●检查待机模式是否比停止模式省电，在两个事件之间，待机功耗与待机重启功耗之和是否小于停止模式的功耗。
这些问题与应用有关，待机模式重启时间包括从唤醒到读取复位向量这个过程所用的时间，待机模式重启时间取决于硬件(稳压器启动时间，STM32的时钟源启动时间大约为40ms)和软件恢复应用环境所需的时间。软件通常必须检查唤醒信号源，从备份寄存器恢复环境信息，并重新配置应用系统使用的微控制器功能。
因为待机软启动与软件有关，所以在唤醒阶段消耗的能量也与应用有关。一个实用的估计能量损耗的方法是，在一个时限内(从唤醒后到软件立即回到待机模式)生成数个给定的唤醒信号，然后比较在唤醒信号没有生成时的平均电流消耗。为了优化待机模式启动时间，开发人员不得忘记优化编译器增加的初始化阶段，并尽可能减少初始化阶段(例如，应该去除RAM初始化过程)。
含有自动电源开关的实时时钟及数据备份专用电压区
电池供电应用都需要一个实时时钟，不过，内核电压关闭必然导致整个程序环境丢失，这相当于一个产品的复位重启。给程序实现一个备份寄存器库，有助于恢复程序执行所需的最小环境。
可以在一个备用电压区内，把所有这些功能都直
接集成在微控制器上。不过，实时时钟功能通常应在很长时期（数年）内有效，即便电池供电的主应用也是以充电电池为电源的。为实时时钟设计第三个电压区，并设置一个实时时钟电源专用引脚，就可以使用一个很小的专用钮扣电池给实时时钟供电，同时主应用由另一个主要电源供电，这样钮扣电池只给实时时钟和相关的振荡器供电，而不给其它功能供电，例如，在待机模式下才可用的电压监控器。
不过，实现第三电压区也不是最完美的，因为当主电源可用时，钮扣电池仍然给实时时钟和备份寄存器供电。为此，STM32采用了一个聪明的延长实时时钟电池使用时间的方法，具体做法是给实时时钟和备份寄存器增加一个电源开关，当主电源可用时，从主电源给实时时钟和备份寄存器供电；当主电源不可用时，从电池给实时时钟和备份寄存器供电。STM32电压区电路如图4所示。
主电压监控制器通过一个闩锁机制向电源开关发布命令，当发现VDD电压低于VDD的下限时，开关把实时时钟和备份寄存器的电源转接到外部Vbat电源。如果VDD电压高于VDD上限时，开关自动选择VDD给这个特殊的电压区供电。
采用电源开关设计还有另外一个优点，软件对这个特殊的电压区读写操作(通过电平转换器)产生的额外动态功耗决不会增加对钮扣电池的功耗，这是因为在运行模式下，电池始终是由主电源提供的。因此，根据实时时钟的功耗和钮扣电池的电量，可以直接计算钮扣电池最短使用时间。
STM32的实时时钟典型电流消耗为1.4mA(环境温度，3.3V)，当使用一枚CR2032电池时，电池最短使用时间近20年。然而，如果应用在大多数时间都连接着主电源，电池的使用时间可以更长，即便电池电量非常低，还能照常使用。
STM32实现的实时时钟和备份寄存器在待机模式下仍正常工作，因此，实时时钟可以作为待机唤醒的信号源，而且在系统进入待机模式前，备份寄存器还可以保存一些重要的参数值。
增添电源开关的方法大幅度提高了微控制器设计的复杂性，因为它要求：
●电压区之间的隔离变得更加复杂；
●可靠的电源开关设计，经过正确调整后，功耗可达到预期的水平(为避免小封装上可用的GPIO数量减少，内部实时时钟电压区没有外部引脚，因此无需增添去耦合电容器)；
●考虑到了不增加Vbat静态功耗的各种启动情况，例如，当VDD不存在时Vbat电压的升高不应产生意外状态(钮扣电池可能在生产线上被焊接到产品内，这时不应有额外的功率消耗，否则电池的电量会被白白地消耗掉)；
●实时时钟电压区在转接VbatV电压前必须能承受VDD最低阈压以下的大电压降。
支持电池供电应用
尽管在应用层面考虑了在待机状态下允许内容丢失的情况，像STM32这样的超低功耗待机和多电压电源架构仍不失为一个有效的解决方案，它允许应用系统在运行模式下实现优异的性能，同时降低静态功耗对待机状态的影响。此外，在STM32内集成独立的功能(如实时时钟)，使设计工程师能够快速高效地开发电池供电的应用设备，并充分利用产品的电源能效。
评论