STM32L4 中 STOP2 模式下的漏电流

只看该作者 · 2021-11-5 16:38

前言
STM32L4 系列，目前是 STM32 超低功耗产品中最强大的一个系列。它还为我们提供了更多的低功耗模式的选择，包括
STOP2 模式，包括低至 30nA 的 Shutdown 模式。对于这些模式，我们需要进行深入地了解，才能把它们用好

问题
某客户在其产品的设计中，使用了 STM32L476RGT6。客户在开发过程中，发现当进入 STOP2 模式后， MCU 的电流保持在
179.6uA，远大于数据手册中所描述的值： 1.18uA (3V 工作电压 & 室温 & 无 LCD & 无 RTC)。

只看该作者 · 2021-11-5 16:38

调研
1.了解问题
首先，我们先确认这个 179.6uA 的电流真实存在，而且只是 MCU 上的电流，不是整机电流。客户并没有使用 LCD，也没有
RTC，根据参考手册，在 3V 的供电电压下，这个电流应该是 1.18uA 左右，如下：

目前所测的这个电流实在是太大了。

只看该作者 · 2021-11-5 16:39

2.问题分析
根据代码和现象确认 MCU 已经进入了 STOP2 模式。那么，这个电流是如何产生的呢？初步怀疑是有输出口在对外输出电流。
于是，找到电路图，对电路图进行了检查，客户的电路图并不复杂，没有很明显可能会导致往外输出电流的情况。
结合电路图，我们对 I/O 口的状态进行了检测，最后发现 MCU 的一个 I2C 接口上的两根信号线电平为低！这要分成两种情况
来看，一是这两个 I/O 口被配置为输入口，那么它是对的，不会产生电流；另一种情况是，它仍然为 I2C 功能的开漏输出口，
那么这个情况下将会产生漏电流。所以，需要对代码进行检查。
从电路图上来看， MCU 的 I2C 接口， SCL 和 SDA 两条线直接连接到外部器件，没有上拉电阻。所以，先检查 I/O 配置，这
两个口被配置为具有内部上拉的复用开漏功能模式，这是正确的配置，没有问题，使用了内部上拉电阻。但是，我们发现客
户在进入 STOP2 模式之前并没有对这两个口的配置进行更改，也就是说，它们仍然保持 I2C 功能的开漏输出结构，带着内部
上拉电阻。
但是，如果 I2C 是在空闲状态下进入 STOP2 模式，按道理，它们应该是保持在高电平。为什么两个引脚都是低电平呢？再检
查用户代码，发现代码中将数据写入 I2C 进行发送后，就直接进入 STOP2 模式了。问题来了，如果进入 STOP2 模式的时间
点上，数据还在发送过程中，此时，若 SCL 和 SDA 都处于低电平的情况下， I2C 外设时钟停止， SCL 和 SDA 的状态将被锁
定在输出低电平状态上。我们使用示波器对此情况进行测试，发现确实如此，在进入 STOP2 模式时， I2C 数据还在发送；处
于 STOP2 模式中， SCL 和 SDA 保持为输出低电平；从 STOP2 模式唤醒后， I2C 继续把剩下的 bits 发完。
来看一下此时 SCL 和 SDA 的 I/O 配置图：

到此，这个问题基本就理清楚了：当 I2C 在工作时，并在 SCL 线和 SDA 线上发送低电平时， N-MOS 被打开，电流从
VDDIOx 经过上拉电阻流入 I/O 口内部，经过 N-MOS 流入 VSS。若此时进入 STOP 2 模式，由于 Vcore 域的所有时钟停止，
导致 I2C 外设时钟停止，那么此 I/O 状态被保持，将导致在 STOP 2 模式下电流持续产生。
STM32L476 的内部上拉电阻为 25~55 kΩ，标称值为 40 kΩ ， 3V 的工作电压，两个 I/O 的上的电流大约是
3V/40 kΩ * 2= 150uA
因为内部上拉电阻并非就是 40 kΩ，所以我们测得到 179.6uA 就是相当地正常了。

只看该作者 · 2021-11-5 16:40

3.问题解决
检查 STM32L476 的参考手册 RM0351，在 STOP2 模式下的描述中，可以看到以下这一段话：

意思是：所有在 STOP2 模式下不能使用的外设，在进入 STOP2 模式之前，必须在其外设本身清除相应的使能位来进行禁用，
或者通过设置相应的位将其恢复到复位状态。
于是，需要对代码进行修改：在进入 STOP2 模式之前，将 I2C 外设进行复位，复位后将 SCL 和 SDA 两根线配置为输入上拉
状态。为什么要配置为输入上拉呢？因为此 I2C 在外部上没有上拉电阻连接，需要在 STOP2 模式下保持这两个 I/O 上有确定
的电平，以避免其易受电磁干扰和额外的电流消耗。而这两个口工作中又作为 I2C 接口，所以选择上拉电阻而不是下拉电阻。
修正后，再进行测试，可测得在 STOP2 模式下的电流为 1.0uA，与数据手册相符。

只看该作者 · 2021-11-5 16:40

结论
由于在进入 STOP2 模式之前没有对 I2C 进行复位及 I/O 口处理，导致在 STOP2 模式中产生了漏电流。
处理
在进入 STOP2 模式下，请确保所有不相关的外设都已经被正确复位或禁用，并配置 I/O 口为相应的正确结构。此种情况还容
易发生在使用操作系统的应用中，因为多个任务的调度很容易让使用者在进入 STOP2 模式时忘记对所有的外设进行检测。所
以，在进入 STOP2 模式前，请检查一下其他任务的工作情况，是否还有外设在传输数据还没传输完，是的话需要等待其结束，
确保所有数据传输完成后，对外设进行复位或禁用，再进入 STOP2 模式。