超低功耗研发-STM32L151C8T6芯片（五）低功耗设计总结

超低功耗研发-STM32L151C8T6芯片（一）时钟系统概述

超低功耗研发-STM32L151C8T6芯片（二）低功耗模式

超低功耗研发-STM32L151C8T6芯片（三）RTC自动唤醒机制

超低功耗研发-STM32L151C8T6芯片（四）串口接收唤醒机制、注意事项、C代码

 

目录

一、硬件设计

1、DC-DC电源部分

2、CPU供电

3、开关控制电路

4、外围芯片供电控制

5、外围模组供电控制

6、电阻电容的选择。

7、IO口的分配策略

8、焊接及静电

二、软件设计

         1、不用的IO口处理

2、CPU 的是时钟频率及内核电压

3、输出 的IO口

4、 输入 IO 口

5、外设

6、唤醒后动作

   三、调试

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    通过前面的讲解，基本上对于STM32L系列低功耗原理有了一些的认知，单纯的讲CPU的低功耗是没有太大的意义的，
毕竟我们的实际工程项目不可能是一个单独的核心板，是必须要添加一些外围功能的，下面我们就从硬件、软件设计上做一些 总结。

一、硬件设计

    硬件设计的总则是选用低功耗的设计方案，器件能少绝对不对，多一个器件，就多一份消耗，我们具体来分析，低功耗硬件设计方案：

1、DC-DC电源部分

        (1)选用低压降、超低功耗DC-DC芯片：由于低功耗设备往往采用电池供电，一些锂电池随着电量的降低，输出电压也会降低，所以我们的DC-DC芯片要保证低压降，至少要能做到0.1V的压降下，仍能正常工作。
        (2)DC-DC静态功耗要足够小，因为在低功耗设计中，所有的器件本身也是要耗电的，尤其是DC-DC器件，耗电更多，所以尽可能的选用超低功耗LDO，当然了还要考虑LDO的最大输出电流，我使用的一款新品是上海贝岭的BL8064系列，静态功耗手册上说只有1uA，实测确实也不错。

2、CPU供电

     超低功耗CPU的内核电压一般都是可配置的，比如说STM32L系列的，CPU电压就可以配置为1.2/1.5/1.8V，这个根据自己项目的情况来选择，因为电压与工作频率是有关系的，正常情况下，1.5V是够用的。
         

3、开关控制电路

        如果我们的外围中，有开关控制需求，比如ADC电压 采集、信号通断等，那么优先考虑 CPU低功耗时，IO口引脚默认为低电平。这样的话，本身GPIO为输出配置，输出低电平肯定要比输出高电平要保险一些（功耗），比如采用三极管实现通断，那么最好使用NPN的管子实现，因为NPN的管子，控制引脚为低电平，三极管不导通，这部分的电路相当于全部断掉，功耗比较小。

4、外围芯片供电控制

        对于一些的传感器，比如温度传感器芯片，如果这个传感器是超低功耗还好，但是多数情况下，传感器的功耗都是有的，即便是不测量的情况下，所以最保险的方式就是控制传感器的电源，这里面要特别注意，要控制整个传感器电源的源头，包括信号线上拉的电源，所以，还是考虑使用P沟道的mos管，mos管的S极接电源，D极给传感器电源和信号线上拉电阻供电，这样我们就能够通过IO口控制G极，实现整个传感器的完全断电了。

 5、外围模组供电控制

    (1)模组电源尽量不要使用LDO，多数超低功耗设备都是采用标准锂电池，所以选用的模组的工作电源要尽可能的与电池电压一致，而且需要宽范围，如果不一致，就要使用LDO，多使用LDO就涉及到产品的成本和整体的功耗增加。    

    (2)如果方案中涉及到通信模组，比如说NB-Iot模组、LoRa模组、蓝牙模组等，模组和外围芯片还不太一样，模组是一个特别大的耗电器件，这个耗电不仅仅在于发送数据时，还在于发送数据前的连接过程也是很费电的，所以如果想要采用直接断电的方式就要好好的衡量一下，是否得不偿失，比如说NB-Iot模组，每次的数据发送，都要经过很漫长的连接过程，举例，可能整个数据发送过程是50秒，那么连接过程可能就要48秒，因为一旦连接成功后，发送数据就很快了，所以NB-Iot模组都有一个叫做PSM模式的东西，这个时候，我们就要采用它本身的PSM模式了，而不是直接断电，因为NB-Iot的PSM模式普遍功耗都特别低，小于10uA。
      (3)另外由于模组需要一直带电运行，如果我们添加了mos管进行备用控制，mos管的控制电路本身也有功耗，这部分的功耗也是需要考虑的，所以，可能比较合适方案是，将电池的输出电压直接给模组供电，模组的外围接口比如reset、唤醒引脚等都接入到CPU，这样就能最大可能的保证模组的稳定。

6、电阻电容的选择。

    这个涉及到一些细节问题，这里就不一一描述了，总而言之就是在满足功能的需求的情况下，电阻和电容都要少，而且电阻阻值不要太小，这有几方面原因，一是太小，相对费电，虽然在低功耗状态下，电阻大小不会影响费电，但是在正常工作情况下，电阻小，电流就大，整体的电流大了后，就会拉低电池的电压，所以需要采用合适的，稍微大点的电阻。电容呢，是要按需用，因为电容本身是储能的，也有漏电流，所以用的多了，也是会引起耗电的。

7、IO口的分配策略

        IO口的分配不能只从布线方便上考虑，还要结合软件设计，比如说CPU进入低功耗设计之前，需要关闭一些外围器件，一些外围器件的关闭是需要XXX_DeInit操作的，比如说I2C模拟接口，关闭I2C模拟接口，最方便的就是先XXX_DeInit,这个函数会对整个port口进行时钟使能和关闭，所以好的设计，应该是将功能分块，比如所有的控制IO口都适用PortA,所有的I2C模拟接口都适用PortB，中间不要随意穿插。这样对于软件工程师来讲，写代码的时候就相对容易些。

8、焊接及静电

     焊接温度和静电有可能会引起莫名其妙的功耗增加，这个时候是很抓狂的，尽可能的低温（280度以下）焊接，然后尽量减小静电的干扰，比如喷三防漆，放在无静电干扰的地方（橡胶垫）。

二、软件设计

      对于CPU中标准的各种低功耗模式，这里就不用赘述了，因为是CPU厂家提供的，我们在软件设计的时候，出现各种奇怪的功耗增加的原因，多数是因为我们队外围功能控制的处理不当引起的，作为程序设计人员，我们一定要非常清楚CPU中所有外围功能的状态、所有IO口的状态，只要确保所有的功能都在合适的状态，才能实现超低功耗。对于STM32L CPU，注意事项有：

   1、不用的IO口处理

    不用的IO口一定设置为 模拟输入&& 无上拉，这个也蛮容易理解的，我们可以认为CPU的内部，模拟输入要经过运放，而运放的输入电阻是无穷大的，相当于输入端断开，加上没有 上下拉电阻的影响，即便是IO口状态不确定，基本上也是不会有电流的。
    

2、CPU 的是时钟频率及内核电压

 

    根据自己项目情况设置的低一些，时钟、内核电压配置如下：

	* 5. This file configures the system clock as follows:  
  *=============================================================================
  *                         System Clock Configuration
  *=============================================================================
  *        System Clock source          | PLL(HSE)
  *----------------------------------------------------------------------------- 
  *        SYSCLK                       | 12000000 Hz
  *----------------------------------------------------------------------------- 
  *        HCLK                         | 12000000 Hz
  *----------------------------------------------------------------------------- 
  *        AHB Prescaler                | 1
  *----------------------------------------------------------------------------- 
  *        APB1 Prescaler               | 1
  *----------------------------------------------------------------------------- 
  *        APB2 Prescaler               | 1
  *----------------------------------------------------------------------------- 
  *        HSE Frequency                | 8000000 Hz
  *----------------------------------------------------------------------------- 
  *        PLL DIV                      | 2
  *----------------------------------------------------------------------------- 
  *        PLL MUL                      | 3
  *----------------------------------------------------------------------------- 
  *        VDD                          | 3.3 V
  *----------------------------------------------------------------------------- 
  *        Vcore                        | 1.5 V (Range 2)
  *----------------------------------------------------------------------------- 
  *        Flash Latency                | 1 WS
  *----------------------------------------------------------------------------- 
  *        Require 48MHz for USB clock  | Disabled
  *----------------------------------------------------------------------------- 

  3、输出 的IO口

       可以设置成 开漏无上下拉，而且在 进入低功耗模式前，必须要拉低该IO口。

4、 输入 IO 口

    比如用作外部中断输入的IO口，要设置成 输入&&下拉&上升沿。
  

5、外设

 进入超低功耗模式之前，要关闭使用的外围功能，比如ADC、SPI外设，串口关闭与否好像并没有太大的影响，
      关闭外设的步骤如下：
      ① 关闭外部中断。
      ② XXX_Cmd(XXX, DISABLE);
      ③ XXX_DeInit(XXX)
      
      对于一些模拟时序的外围，比如I2C接口，关闭外设的步骤其实就是设置成 模拟无上拉 输入即可，不需要再进行
      XXX_DeInit的操作。
      

6、唤醒后动作

   CPU唤醒后，需要将之前设置的低功耗配置IO口、外围功能重新初始化一遍，比如ADC、I2C等。

 三、调试

     超低功耗的设计，涉及到硬件和软件的低功耗设计，哪一块出问题了，都会影响整体的功耗，所以我们调试的时候，务必要一点点的增加软件功能，先从最小系统功耗测量开始，一点点的增加外围功能，这样才能逐步锁定问题，解决问题。