（资料）STM32上VBAT 管脚上的怪现象

只看该作者 · 2021-5-13 10:29

问题：

某客户工程师在某型号新产品的设计中，使用了 STM32 器件，型号为：STM32F101xxT6。在其设计中， STM32 有两路供电，其中一路的电压为 3.3V，为 VDD 及 VDDA 供电，而另外一路的电压为 3.0V，为 VBAT 供电。两路供电都是由同一个蓄电池的输出电压，分别经过各自的电压转换电路处理而得到的。其中，3.3V 供电由电源开关控制，而 3.0V 供电则为常通，其电路如图一所示：

只看该作者 · 2021-5-13 10:30

据其工程师反映，电路的 VBAT 节点处的电压在第一次接通蓄电池时并不是 3.0V，而是 700mV 左右。而打开电源开关，提供另一路 3.3V 供电后，该节点的电压跳变到 3.0V。而后，无论有无 3.3V 供电，该节点的电压都能维持在 3.0V 如图二所示。
这一现象对产品的各项功能没有影响，但其工程师想了解其中缘由，杜绝隐患。

只看该作者 · 2021-5-13 10:31

调研：
对图一所示电路的开路电压、短路电流、输出电阻及输出端 RC 常数进行计算：

于是，图一的电路可以用图三的电路来等效：

只看该作者 · 2021-5-13 10:31

结论：
由图三可见，该电路存在两点问题：
1.  过大的输出电阻（543K），使得该电路没有足够的驱动能力带动负载
2.  过大的输出电容（56uF），使得该电路的输出电压上升缓慢（30.4S），不利于 MCU 产生上电复位，同时，也会造成在 VDD 上电时从 VBAT 送出的冲击电流过大
由于以上两点原因，VBAT 没有成功的完成上电过程，而 STM32 的后备域电路也没有被复位，而是停留在某种紊乱的状态。
在这种状态下，VBAT 的输入电流较大，使得 VBAT 节点处的电压无法继续升高。当 VDD 上电时，VDD 会通过芯片内部电路，从 VBAT 引脚送出一个瞬间的冲击电流，这一电流帮助 VBAT 节点的电压迅速升高，从而完成 VBAT 的上电过程。于是，芯片的后备域电路被复位，VBAT 的输入电流下降到了正常的工作电流。从而，既便VDD 被关掉，VBAT 也能维持在正常的工作电压，保证后备域电路能够正常工作。这一过程正是前面所描述的现象。
处理：
1.  调整分压电阻的参数，使输出电阻降为 100K
2.  将 56uF 电容换成 0.1uF 电容

只看该作者 · 2021-5-13 10:32

建议：
虽然在 STM32 的数据手册中给出了 VBAT 的工作电流的参数，即：小于 1uA，但是其中并未给出在后备域电路被复位之前，VBAT 的输入电流是多少。根据经验，这时需要电源提供的 20uA 以上的电流，才能保障后备域电路上电复位过程顺利的完成。另外，在 STM32 的参考手册中，讲述了在 VDD 上电的时候，会有瞬时的冲击电流从 VBAT 管脚送出，但没有明确的说明该电流有多大。因此，在设计 VBAT 的供电电路时，有关该电路的输出电阻的设计，要从两方面考虑：
1. 不能太大。如果太大，则不能满足在 VBAT 上电的过程中，VBAT 的输入电流对电源的带负载能力的要求
2. 不能太小。如果太小，则不能有效的限制 VDD 上电时从 VBAT 管脚送出的冲击电流，从而损伤芯片或后备电池,一般来说，该参数可选在 50K - 100K 之间。同样，考虑到会有冲击电流从 VBAT 管脚送出，因而输出电容的参数也不宜过大。STM32 的数据手册中给出的推荐值是 0.1uF。