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AN3193 应用笔记 STM32L1xx超低功耗功能概述前言 STM32L1xx产品线属于意法半导体的超低功耗EnergyLiteTM平台，采用基于32位高性能 CortexTM-M3的微控制器，完善了8位STM8Lxx系列，并提供了扩展的内存和更大的封装。两个微控制器系列产品都是基于ST获得专利的130 nm超低泄漏工艺，具有多种模拟和数字外设，简化了从一种结构到另一种结构的过渡，使得用户可以利用同一个平台所需要的知识。本应用笔记描述了STM32L1xx系列产品关键的低功耗特性，说明了其在主要关注能耗的应用中的优势。重要提示：本文档并不能取代STM32L1xx数据手册。本文中给出的所有数值仅作参考。请参考相关的数据手册来获取有效的最新特性数据。 2017年9月 DocID17369 Rev 1 [English Rev 2] 1/13 www.st.com

目录目录 1 2 3 4 5 6 7 8 AN3193 STM32L1xx主要特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 高能效处理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 多种低功耗模式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 为低功耗量身定做的一组外设 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 强大的时钟管理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 超安全电源监控 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 结论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 版本历史 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2/13 DocID17369 Rev 1 [English Rev 2]

AN3193 STM32L1xx主要特性 1 STM32L1xx主要特性在备受赞誉的STM32F10x系列产品的雄厚基础上，STM32L1xx加入了多种创新，能够使不同配置下的功耗减到最小，同时保留大部分现有外设并保持准引脚兼容。对于给定的制造工艺和晶片区域，微控制器的功耗主要取决于两个因素（动态可控）：电压和频率。在STM32L1xx器件中，内部低压降调压器为大部分的逻辑电路提供了一个固定电压：确保无论电源电压是多少（可能随着便携式电池供电的产品寿命而降至1.65 V），功耗都能保持最小。如果我们考虑时钟源，则多个级联的时钟预分频器、门控技术和逐个外设时钟管理允许在适当的频率下只激活必要的逻辑门。这是当前针对降低运行模式下功耗通用的设计原则。 STM32L1xx在此方向上做了更多努力，实现了电压调节，可达到更高的处理效率。但是，要满足所有的超低功耗要求，不能仅仅关注运行时间：对于大部分应用，挑战是在该模式下花费最少的时间和能量，并寻找合适的低功耗模式。改进措施不仅仅包括优化深度睡眠模式，以消除每个即使是10nA的漏电流。系统也通过具有7个低功耗模式和一组能够调整为低功耗的外设得到了完善（例如日历实时时钟和LCD控制器）。这些内容在后面有详细描述。 DocID17369 Rev 1 [English Rev 2] 3/13 13

高能效处理 2 高能效处理 AN3193 STM32L1围绕工业标准32位内核Cortex-M3构建，在众多其他标准中，它针对低功耗应用而设计。Cortex-M3具有领先的性能和代码密度。虽然性能与低电流消耗无直接关系，但它是大多数低功耗应用（须周期唤醒来执行软件任务）的主要优势。这种情况下，Cortex-M3因其处理性能而在运行模式的时间更少，因此可以使深度睡眠模式的时间达到最长。如果我们仅考虑处理能耗（用mA/DMIPS表示，DMIPS代表Dhrystone MIPS，采用公共基准Rev 2.0测量），Cortex M3的性能明显优于其他架构（尤其是16位微控制器）的性能。由于性能（用DMIPS/MHz表示）由内核及其存储器接口给出，则通过电压调节，可使处理能耗（用mA/DMIPS表示）达到最大。这种方法（也称为欠压）包括动态调节内部逻辑供电电压与工作频率。STM32L1xx提供了3个动态可选电压范围，如下图所示，从1.8 V（范围1）至1.2 V（范围3），可在能耗上提供超过25%的增益。 4/13 DocID17369 Rev 1 [English Rev 2]

AN3193 高能效处理图1. STM32L1xx性能与VDD和VCORE范围的关系 MHz 32 16 8 4 2 240 μA / MHz 32 MHz FCPU > 16 MHz 1WS 16MHz 0WS 1 1.8 V 2V - 3.6V 1 ai178201 1WS 0WS 2 195 μA / MHz 16 MHz FCPU> 8 MHz 8 MHz 178 μA / MHz 4MHz 2 MHz FCPU> 2 MHz 1WS 0WS VCORE VDD 1.2V 3 1.5V 1.65V - 3.6V 1 2 3 一个典型例子是具有USB设备功能的便携式医疗设备。如果它在单机模式下工作，那么4 MHz足够用来获取和处理来自模拟前端的数据。这种情况下，内部逻辑可仅用1.2 V供电。但是，当系统连接到PC的USB接口时，执行USB软件堆栈需要更多的处理功率：这种情况下，可将设备置于“高性能模式”，此模式下内部电压为1.8 V。然后它能够以32 MHz执行代码，同时USB外设由48-MHz时钟驱动。可利用电压调节来处理这两种工作模式的矛盾，而无需妥协动态电流消耗性能。 DocID17369 Rev 1 [English Rev 2] 5/13 13

多种低功耗模式 3 多种低功耗模式 AN3193 在更高的架构级上来看，可进入低功耗模式（7种低功耗模式的某一种）来调节STM32L1的功耗。通过逐步禁用与频率无关的电流源（时钟源，非易失性存储器和调压器），直至大部分芯片掉电，可以降低功耗功耗。下表概括了每种模式的特点并显示了电流消耗。表1. STM32L1xx低功耗模式概览低功耗模式电流消耗 CPU Flash / EEPROM RAM DMA & 外设时钟 LCD RTC 100 µA/MHz（范围1） 82 µA/MHz（范围2） 65 µA/MHz（范围3） 10.4 µA （闪存OFF，32 kHz） 5.1 µA （外设关闭） 6.1 µA （1 定时器 ON） 1.3 µA（1.8 V） 1.6 µA（3 V） 500 nA 1.3 µA（3 V） 1 µA（1.8 V） 270 nA 无 ON ON 有 ON或OFF ON 无关闭无无关闭关闭 ON ON ON 活跃状态活跃状态活跃状态冻结冻结关闭关闭关闭关闭关闭关闭关闭关闭睡眠低功耗运行低功耗睡眠 Stop 有RTC Stop 待机有RTC 待机任意可提供 MSI 可提供 MSI 可提供 LSE、 LSI LSE、 LSI LSE、 LSI LSE、 LSI 可提供关闭关闭关闭 ON 关闭关闭在STM32F系列低功耗模式的基础上，STM32L1xx上还实现了两种新的模式：低功耗运行和低功耗睡眠模式。它们为应用提供了具有极低电流消耗的运行和睡眠模式功能，这种情形下一些外设不能关闭（例如，通信外设和定时器），或者CPU持续低速工作以使电流变化最小。可使用几种功能模块实现极低电流： • 调压器处于低功耗（LP）模式以降低其静态电流。 • 可关闭非易失性存储器，在16-KB RAM上工作 • 主时钟源来自于MSI内部RC振荡器，它能够降低至1.5 µA。调压器能够在LP模式下提供的最大电流仅限制了工作频率和它能够激活的外设数量。 6/13 DocID17369 Rev 1 [English Rev 2]

AN3193 4 为低功耗量身定做的一组外设为低功耗量身定做的一组外设需要特别注意某些外设，因为可能其本身属于高耗能外设，也可能是它们无法掉电。 STM32L1xx内嵌有一个12-bit / 1 MSps的ADC。这个快速而精确的转换器速率具有1.45 mA 的典型功耗，如果保持连续上电的话，可能会损坏电池寿命。利用其无校准结构、3.5 µs的快速上电时间，以及1 µs的转换时间，可在10 µs之内实现6次转换，并且随后可立即关闭 ADC。如果以1-kHz的速率执行此操作，则表示ADC相关的平均消耗不超过10.5 µA。开启和关闭外设所需的时间在高速下可忽略不计，但是对于低工作频率它可能会变得很重要：1 MHz时，每条指令的持续时间与ADC转换本身一样长。当ADC以这样的低频工作时，转换时间也会显著增加，这对终端应用没有好处。为了降低功耗并有效利用这种快速转换器，ADC数字接口经过了专门设计，能够以完全独立的方式工作，利用内部16 MHz时钟源，它可以其最大速率工作，而无论CPU工作频率（其范围可从“sub-kHz”至32 MHz）是多少。它还包含有自动关断模式，能够降低软件开销并处理极低CPU频率。32 kHz时，每条指令持续30 µs：可在两个周期之间进行一连串转换，并且ADC可自动掉电，因此ADC的额外消耗可以仅限于必要时间内（对于单次转换，30 µs的CPU周期内，只占用其中的4.5 µs）。以下的3种外设即便在停止模式下（此模式下系统时钟停止，主振荡器和存储器掉电）也能持续工作。 • 可用一对超低功耗比较器来监测，此时比较器电流消耗最低3µA。一旦外部电压达到所选阈值，这两个比较器就能唤醒MCU，并且它们可以一起组成一个窗口比较器。其中一个比较器具有轨到轨输入能力，并且其输出可重新输送到通用的计时器中。 RTC外设提供了具有两个报警（闹铃）的时钟/日历，包括一个周期性唤醒单元和多个特殊应用功能（时间戳、篡改检测……）。它能够在最低功耗模式（待机，该模式下大部分芯片是断电的）下保持使能，并能在发生报警或检测到篡改（举例）时唤醒全部 MCU电路。它还包含了80字节的备份寄存器，用来存储退出待机模式时的上下文信息。该外设采用异步设计技术来设计，可以最小化其功耗（低于1 µA）。 • • 由于具有低电流消耗、价格低廉且易于定制，LCD是低功耗应用中最常见的显示设备之一。STM32L1xx包含了一个通用的LCD控制器，能够驱动具有多达8条公用线和40个区段的显示设备，具有单独选择I/O端口（为了最大化利用芯片可选功能而被分配给 LCD）的能力。它还控制着可选内部升压转换器，以在大范围的VDD值下维持LCD对比度，并且功耗低至5 µA（不包括LCD消耗）。 DocID17369 Rev 1 [English Rev 2] 7/13 13

多功能的时钟管理 5 多功能的时钟管理 AN3193 复位和时钟控制器（RCC）外设管理STM32L1的5个可用时钟源。两个外部振荡器使应用能获得高精度： • HSE时钟（4-24 MHz的高速外部时钟），通常用于馈送PLL，并产生32 MHz的CPU时钟频率和用于USB控制器的48-MHz频率。 LSE（典型的32.768 kHz低速外部时钟）通常用于为实时时钟提供低功耗时钟源，不过也能用作LCD时钟。对于多种不同的任务，有3个内部振荡器可供选择： • LSI时钟（37 kHz低速内部时钟）是低精度超低功耗源，能够馈送实时时钟（精度有限）、LCD控制器和独立看门狗 HSI时钟（16 MHz高速内部时钟）是高速电压补偿振荡器。 MSI时钟（64 kHz至4 MHz多种速率内部时钟）是中等精度振荡器，具有可调的频率和低电流消耗。它的工作电流与频率成比例，以便最小化内部振荡器在低CPU频率下的功耗开销。下表总结了各种振荡器的特性和用途。 • • • 表2. STM32L1xx时钟源特性（初步数据(1)）用途频率电流消耗（典型值）精度工厂修调用户可修调 LSI RTC, LCD & 独立 WDG 38 kHz 0.4 µA (3 V) -30%至+50%(3) 无，但是可测量fLSI 1. 根据初步特征分析或设计仿真。有关详细的电气特性，请参考产品数据手册 2. 在Value Line系列（STM32L100xx器件），HSI振荡器未被修调，因此请参考器件数据手册来保证其正确精度。 3. 初始测量后，有-10%至+4%的漂移 8/13 DocID17369 Rev 1 [English Rev 2] 主时钟（+ RTC & LCD） 1-24 MHz 0.5至0.7 mA 时钟来源 HSE LSE HSI RTC和LCD 主时钟 32.768 kHz （典型值） 0.45 µA（1.8 V） 0.6 µA（3 V） 16 MHz 64 kHz 128 kHz 256 kHz 512 kHz 1.02 MHz 2.1 MHz 4.1 MHz 100 µA 0.6 µA 0.9 µA 1.4 µA 2.2 µA 4 µA 7 µA 12 µA MSI 主时钟典型值0.5% 取决于晶振，低至几十ppm 取决于晶振，低至数 ppm 典型值1%(2) 有(2) 不适用有有有无

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