STM32L051 的低功耗等级（功耗模式）

keer_zu 发表于 2025-8-12 09:31

STM32L051 的低功耗等级（功耗模式）及其对应的状态机模型。STM32L051 属于 STM32L0 系列，是 STMicroelectronics 专为超低功耗应用设计的微控制器，其功耗模式设计非常精细，以满足不同应用场景对功耗和唤醒速度/状态保持的需求。
核心低功耗模式概览：
STM32L051 主要提供以下功耗模式，按功耗从高到低排列：
<ol>
<li>运行模式 (Run Mode)</li>
<li>低功耗运行模式 (Low-Power Run Mode - LPRun)</li>
<li>睡眠模式 (Sleep Mode)</li>
<li>低功耗睡眠模式 (Low-Power Sleep Mode - LPSleep)</li>
<li>停机模式 (Stop Mode)</li>
<li>待机模式 (Standby Mode)</li>
<li>关机模式 (Shutdown Mode)</li>
</ol>
状态机模型：
下图描述了这些模式之间的转换关系以及主要的进入/退出条件：
<pre><code>+-----------------------------------------------------------------------+
| 运行模式 (Run) |
|(Core: On, Periph: On, Clocks: HSI/MSI/HSE/PLL, Regs/RAM: Keep) |
|(Highest Power Consumption) |
+-----------------------------------------------------------------------+
 | WFI/WFE/SLEEPONEXIT
 | OR LPR bit set & MSI as sysclk & Vcore Range 2
 v
+----------------------+ +----------------------+
| 睡眠模式 (Sleep)|<----->| 低功耗睡眠模式 (LPSleep) |
| (Core: Off, | | (Core: Off, |
|Periph: On, | |Periph: On, |
|Clocks: SysClk On,| |Clocks: SysClk Off, |
|Regs/RAM: Keep) | |LSE/LSI/MSI On*, |
| | |Regs/RAM: Keep) |
+----------------------+ +----------------------+
 | WFI/WFE/SLEEPONEXIT
 | OR Enter Stop via PWR_CR
 v
+-----------------------------------------------------------------------+
| 停机模式 (Stop) |
|(Core: Off, Periph: Off (SRAM/Regs Keep), Clocks: Off (LSE/LSI/MSI*) |
|(Low Power Consumption, Fast Wakeup, Full Context Retention) |
+-----------------------------------------------------------------------+
 | WFI/WFE/SLEEPONEXIT
 | OR Enter Standby via PWR_CR
 v
+-----------------------------------------------------------------------+
| 待机模式 (Standby) |
|(Core: Off, Periph: Off, Clocks: Off (LSI/LSE On* for RTC/WKUP), |
| SRAM/Regs: Lost (Except Backup Domain), IOs: High-Z or Analog) |
|(Very Low Power Consumption, Reset-like Wakeup) |
+-----------------------------------------------------------------------+
 | Enter Shutdown via PWR_CR
 v
+-----------------------------------------------------------------------+
| 关机模式 (Shutdown) |
|(Core: Off, Periph: Off, Clocks: Off (LSE On* for RTC if used), |
| SRAM/Regs: Lost (Except Backup Domain), IOs: High-Z or Analog) |
|(Lowest Power Consumption, Reset-like Wakeup) |
+-----------------------------------------------------------------------+
</code></pre>
箭头说明：
<ul>
<li>垂直向下箭头 (->): 表示从高功耗模式进入低功耗模式的主要路径。通常通过执行 <code>WFI</code> (Wait For Interrupt) 或 <code>WFE</code> (Wait For Event) 指令、设置 <code>SLEEPONEXIT</code> 位、或直接配置电源控制寄存器 (<code>PWR_CR</code>) 中的相关位 (<code>LPMS</code>, <code>FWU</code>, <code>ULP</code>, <code>LPSDSR</code>, <code>PDDS</code>, <code>CWUF</code>) 来实现。</li>
<li>水平双向箭头 (<->): 表示 <code>睡眠模式</code> 和 <code>低功耗睡眠模式</code> 之间可以根据配置（主要是系统时钟源是否关闭）直接切换。</li>
<li>唤醒事件/中断: 所有低功耗模式都可以被特定的唤醒源（外部中断、RTC 闹钟、IWDG、特定外设事件等）唤醒。唤醒后，微控制器会返回到进入低功耗模式之前的运行状态（<code>运行模式</code> 或 <code>低功耗运行模式</code>），除了：
<ul>
<li><code>待机模式</code> 和 <code>关机模式</code> 唤醒后相当于进行一次复位（从复位向量重新开始执行），SRAM 和寄存器内容丢失（备份域寄存器内容保留）。</li>
<li><code>停机模式</code> 唤醒后，程序会从进入停机模式指令 (<code>WFI/WFE</code>) 之后的下一条指令开始执行（或响应唤醒事件的中断服务程序），所有寄存器和 SRAM 内容保留。</li>
</ul>
</li>
</ul>
<hr />
各低功耗模式详细说明：
<ol>
<li>
运行模式 (Run Mode)
<ul>
<li>状态: CPU 内核运行，外设可以开启（取决于配置），所有时钟（HSI, MSI, HSE, PLL）都可以使用。</li>
<li>功耗: 最高。典型值取决于主频、开启的外设数量和电压调节器范围 (Range)。例如，在 16MHz (Range 1) 下运行 CoreMark 时约为 1.5mA，在 2MHz (Range 2) 下运行约为 230μA。</li>
<li>唤醒源: 不适用（本身是活动状态）。</li>
<li>唤醒时间: 不适用。</li>
<li>状态保持: 所有寄存器和 SRAM 内容保持。</li>
<li>进入方式: 上电复位、从任何低功耗模式唤醒（除了待机/关机唤醒相当于复位）。</li>
<li>退出方式: 执行 <code>WFI</code>/<code>WFE</code> 进入睡眠；配置进入更低功耗模式；或通过软件切换时钟/电压调节器进入 <code>低功耗运行模式</code>。</li>
</ul>
</li>
<li>
低功耗运行模式 (Low-Power Run Mode - LPRun)
<ul>
<li>状态: CPU 内核运行，外设可以开启（但只能使用低功耗时钟源：MSI (典型 131kHz, 262kHz 等低速档位) 或 HSI16 (在分频后低频运行)，不能使用 HSE 或 PLL。电压调节器必须切换到 低功耗范围 (Range 2)。</li>
<li>功耗: 显著低于普通运行模式。典型值在 MSI 131kHz + Range 2 下约为 30μA (仅内核运行)。</li>
<li>唤醒源: 不适用（本身是活动状态）。</li>
<li>唤醒时间: 不适用。</li>
<li>状态保持: 所有寄存器和 SRAM 内容保持。</li>
<li>进入方式: 在 <code>运行模式</code> 下，将系统时钟切换到 MSI (低速档) 或分频后的 HSI16，并将电压调节器设置为 Range 2 (<code>PWR_CR</code> 的 <code>VOS</code> 位和 <code>LPR</code> 位)。</li>
<li>退出方式: 将电压调节器切换回 Range 1 (<code>LPR=0</code>)，并将系统时钟切换到 HSI/HSE/PLL 以返回普通 <code>运行模式</code>；也可以执行 <code>WFI</code>/<code>WFE</code> 进入 <code>低功耗睡眠模式</code>。</li>
</ul>
</li>
<li>
睡眠模式 (Sleep Mode)
<ul>
<li>状态: CPU 内核停止运行，但系统时钟 (SYSCLK) 仍然运行。开启的外设继续工作并可以产生中断/事件来唤醒内核。</li>
<li>功耗: 高于 <code>停机模式</code> 但低于 <code>运行模式</code>。取决于开启的外设数量和时钟频率。典型值在 2MHz 下约为 100μA (仅内核停止)。</li>
<li>唤醒源: 任何使能的中断或事件（来自 NVIC 或外设）。</li>
<li>唤醒时间: 非常快 (几个时钟周期)。CPU 从中断/事件发生点立即恢复执行（或响应中断）。</li>
<li>状态保持: 所有寄存器和 SRAM 内容保持。</li>
<li>进入方式: 执行 <code>WFI</code> 或 <code>WFE</code> 汇编指令；或设置内核寄存器 (<code>SCR</code>) 的 <code>SLEEPONEXIT</code> 位，在退出最低优先级中断后自动进入睡眠。</li>
<li>退出方式: 发生使能的中断或事件。</li>
</ul>
</li>
<li>
低功耗睡眠模式 (Low-Power Sleep Mode - LPSleep)
<ul>
<li>状态: CPU 内核停止运行，系统时钟 (SYSCLK) 被关闭。只有低功耗时钟源保持运行：LSE (32.768kHz 外部晶振), LSI (~37kHz 内部 RC), 或者 MSI (在低速档位，如 65.5kHz, 131kHz)。开启的外设如果依赖 SYSCLK 则停止工作，但依赖 LSE/LSI/MSI 的外设（如 LPUART, LPTIM, RTC, IWDG）可以继续工作并产生唤醒事件。</li>
<li>功耗: 显著低于普通睡眠模式。典型值在仅 LSI 或 LSE 运行 + SRAM 保持下约为 1.5μA - 2μA。</li>
<li>唤醒源: 来自运行中的低功耗外设的事件（如 LPUART 接收、LPTIM 比较匹配、RTC 闹钟）、外部中断 (EXTI)、IWDG 复位（如果使能）等。不能响应需要 SYSCLK 的外设中断。</li>
<li>唤醒时间: 较快。需要重新使能系统时钟，但比 <code>停机模式</code> 唤醒可能稍快一点（因为电压调节器保持运行）。通常在微秒级。</li>
<li>状态保持: 所有寄存器和 SRAM 内容保持。</li>
<li>进入方式:
<ul>
<li>在 <code>睡眠模式</code> 下，关闭系统时钟 (<code>SYS_CFGR</code> 寄存器配置)。</li>
<li>在 <code>低功耗运行模式</code> 下执行 <code>WFI</code> 或 <code>WFE</code>。</li>
</ul>
</li>
<li>退出方式: 发生支持的唤醒事件。系统时钟根据配置重新启动，CPU 恢复执行。</li>
</ul>
</li>
<li>
停机模式 (Stop Mode)
<ul>
<li>状态: CPU 内核停止运行，所有高速时钟关闭 (HSI, HSE, PLL, MSI, SYSCLK)。核心电压调节器可以配置为保持运行 (Regulator ON) 或进入低功耗状态 (Low-Power Regulator)。只有 LSE 和 LSI 可以保持运行 (可选)，用于驱动 RTC, IWDG, LPUART, LPTIM 或作为唤醒源。所有外设时钟停止。I/O 引脚状态保持。</li>
<li>功耗: 非常低。典型值：
<ul>
<li><code>Regulator ON</code> + SRAM 保持 + LSI/LSE 关闭：约 1.1μA</li>
<li><code>Low-Power Regulator</code> + SRAM 保持 + LSI/LSE 关闭：约 0.4μA</li>
<li>开启 RTC/LSE：额外增加 ~1μA</li>
</ul>
</li>
<li>唤醒源: 外部中断 (EXTI - 包括 RTC 闹钟事件、Tamper 事件)、特定引脚上升沿、LPTIM 异步事件、IWDG 复位（如果使能）等（依赖于保持运行的 LSE/LSI）。</li>
<li>唤醒时间: 快 (微秒级)。因为电压调节器状态可配置为保持运行或快速恢复。程序从进入停机模式的指令 (<code>WFI/WFE</code>) 之后继续执行（或响应唤醒事件的中断）。</li>
<li>状态保持: 所有寄存器和 SRAM 内容保持。这是 <code>停机模式</code> 的关键优势之一。</li>
<li>进入方式: 配置电源控制寄存器 (<code>PWR_CR</code>) 中的 <code>LPMS</code> 位选择 <code>Stop</code> 模式，设置 <code>LPSDSR</code> (选择 Regulator 模式)，<code>FWU</code> (快速唤醒)，<code>ULP</code> (超低功耗 - 关闭 Flash 电源) 等选项，然后执行 <code>WFI</code> 或 <code>WFE</code>。</li>
<li>退出方式: 发生支持的唤醒事件。系统时钟根据配置重新启动（通常是 MSI），CPU 恢复执行。</li>
</ul>
</li>
<li>
待机模式 (Standby Mode)
<ul>
<li>状态: 电压调节器关闭 (核心电源域断电)。所有高速和低速时钟关闭 (HSI, HSE, PLL, MSI, SYSCLK, LSI, LSE - 但 LSE 可以 被独立配置为保持运行以驱动 RTC)。SRAM 和寄存器内容丢失 (除了备份域寄存器)。大部分 I/O 引脚进入高阻态或模拟状态 (具体取决于配置)。只有备份域 (Backup Domain) 和待机电路保持供电。</li>
<li>功耗: 极低。典型值：
<ul>
<li>LSE 关闭：约 0.27μA</li>
<li>LSE 开启 (RTC 运行)：约 0.95μA</li>
</ul>
</li>
<li>唤醒源: 有限：
<ul>
<li>特定的唤醒引脚 (<code>WKUPx</code>) 上升沿。</li>
<li>RTC 闹钟事件 (如果 LSE/LSI 配置为保持运行)。</li>
<li>IWDG 复位 (如果使能)。</li>
<li>NRST 引脚外部复位。</li>
</ul>
</li>
<li>唤醒时间: 慢 (毫秒级)。唤醒过程相当于一次复位（冷启动）。程序从复位向量 (<code>0x0000_0004</code>) 重新开始执行。</li>
<li>状态保持: 仅备份域寄存器 (RTC, Backup SRAM, Tamper 配置等) 内容保持。主 SRAM 和所有通用寄存器内容丢失。</li>
<li>进入方式: 配置 <code>PWR_CR</code> 中的 <code>PDDS</code> 位选择 <code>Standby</code> 模式，设置 <code>CWUF</code> (清除唤醒标志)，配置 <code>PWR_CSR</code> 中的 <code>EWUPx</code> 位使能唤醒引脚，然后执行 <code>WFI</code> 或 <code>WFE</code>；或设置 <code>SLEEPDEEP</code> 位 + <code>PDDS</code> + <code>WFI/WFE</code>。</li>
<li>退出方式: 发生支持的唤醒事件或复位。系统执行完整的复位初始化流程。</li>
</ul>
</li>
<li>
关机模式 (Shutdown Mode)
<ul>
<li>状态: 电压调节器关闭 (核心电源域断电)。所有时钟关闭 (包括 LSE 和 LSI - 但 LSE 可以 被独立配置为保持运行以驱动 RTC)。SRAM 和寄存器内容丢失 (除了备份域寄存器)。大部分 I/O 引脚进入高阻态或模拟状态。只有备份域 (Backup Domain) 和极低功耗的唤醒逻辑保持供电。这是 最低功耗 的模式。</li>
<li>功耗: 最低。典型值：
<ul>
<li>LSE 关闭：约 0.03μA</li>
<li>LSE 开启 (RTC 运行)：约 0.7μA</li>
</ul>
</li>
<li>唤醒源: 非常有限：
<ul>
<li>特定的唤醒引脚 (<code>WKUPx</code>) 上升沿。</li>
<li>RTC 闹钟事件 (如果 LSE 配置为保持运行 - LSI 在关机模式下不能运行)。</li>
<li>NRST 引脚外部复位。</li>
</ul>
</li>
<li>唤醒时间: 慢 (毫秒级)。唤醒过程相当于一次复位（冷启动）。程序从复位向量 (<code>0x0000_0004</code>) 重新开始执行。</li>
<li>状态保持: 仅备份域寄存器 (RTC, Backup SRAM, Tamper 配置等) 内容保持。主 SRAM 和所有通用寄存器内容丢失。</li>
<li>进入方式: 配置 <code>PWR_CR</code> 中的 <code>LPMS</code> 位选择 <code>Shutdown</code> 模式，设置 <code>CWUF</code>，配置 <code>PWR_CSR</code> 中的 <code>EWUPx</code> 位使能唤醒引脚，然后执行 <code>WFI</code> 或 <code>WFE</code>。</li>
<li>退出方式: 发生支持的唤醒事件或复位。系统执行完整的复位初始化流程。</li>
</ul>
</li>
</ol>
关键选择因素总结：
<ul>
<li>需要多快唤醒？ <code>睡眠</code>/<code>低功耗睡眠</code>/<code>停机</code> (快) vs <code>待机</code>/<code>关机</code> (慢/复位)。</li>
<li>需要保存 RAM 和寄存器状态吗？ <code>睡眠</code>/<code>低功耗睡眠</code>/<code>停机</code> (保存) vs <code>待机</code>/<code>关机</code> (丢失，仅备份域保留)。</li>
<li>需要多低的功耗？ <code>运行</code> (最高) -> <code>LPRun</code> -> <code>睡眠</code> -> <code>LPSleep</code> -> <code>停机</code> -> <code>待机</code> -> <code>关机</code> (最低)。</li>
<li>唤醒源是什么？ 不同模式支持的唤醒源不同 (例如，<code>待机</code>/<code>关机</code> 只能用 WKUP 引脚或 RTC 闹钟唤醒)。</li>
<li>需要外设在低功耗下工作吗？ <code>睡眠</code>/<code>LPRun</code> (外设可用) -> <code>LPSleep</code>/<code>停机</code> (仅低功耗外设可用) -> <code>待机</code>/<code>关机</code> (外设完全关闭)。</li>
</ul>
重要提示：
<ol>
<li>实际功耗: 上述功耗值是典型值，在特定条件下测得（通常是 25°C, VDD=3.0V, 无负载）。实际功耗受温度、供电电压、PCB 设计、未用引脚配置（推荐配置为模拟输入或输出低）、GPIO 外部电路漏电流、开启的外设数量和频率等因素显著影响。务必根据实际电路进行测量。</li>
<li>配置细节: 进入和退出每种模式，以及配置唤醒源、时钟、电压调节器、I/O 状态等，都需要仔细配置相关的寄存器 (<code>PWR</code>, <code>RCC</code>, <code>SYSCFG</code>, <code>GPIO</code>, <code>EXTI</code>, <code>NVIC</code> 等)。请务必参考 STM32L051 参考手册 (RM) 的 电源控制 (PWR) 和 复位和时钟控制 (RCC) 章节。</li>
<li>调试: 调试器连接通常会阻止微控制器进入深度睡眠模式（如停机、待机、关机）。进行低功耗测试时，可能需要断开调试器，使用 GPIO 翻转或串口输出等方式辅助调试。</li>
<li>BOR/PVD: 欠压复位 (BOR) 和可编程电压检测器 (PVD) 在低功耗模式下仍然工作，以保护芯片。</li>
<li>Flash 存储器: 在进入某些深度睡眠模式前（尤其是 <code>待机</code>/<code>关机</code>），确保没有正在进行的关键 Flash 操作（擦除/编程）。</li>
</ol>
理解这些功耗模式及其状态转换是成功设计基于 STM32L051 的超低功耗应用的关键。根据你的应用需求（唤醒频率、唤醒速度、状态保持要求、目标功耗）选择合适的模式组合。

页: [1]

21ic电子技术开发论坛's Archiver

STM32L051 的低功耗等级（功耗模式）