PMU 低功耗

【紅楓派開(kāi)發(fā)板】第六講 PMU-低功耗實(shí)驗(yàn)

發(fā)布于 2024-03-25 09:55:17

6.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)主要學(xué)習(xí)以下內(nèi)容：

? PMU原理；

? 低功耗的進(jìn)入以及退出操作；

6.2 實(shí)驗(yàn)原理

6.2.1 PMU結(jié)構(gòu)原理

PMU即電源管理單元，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)下圖所示，由該圖可知，GD32F303系列MCU具有三個(gè)電源域，包括VDD/VDDA電源域、1.2V電源域以及電池備份域，其中，VDD /VDDA域由電源直接供電。在VDD/VDDA域中嵌入了一個(gè)LDO，用來(lái)為1.2V域供電。在備份域中有一個(gè)電源切換器，當(dāng)VDD/VDDA電源關(guān)閉時(shí)，電源切換器可以將備份域的電源切換到VBAT引腳，此時(shí)備份域由VBAT引腳（電池）供電。

VDD/VDDA電源域

VDD 域?yàn)閿?shù)字電源域包括 HXTAL（高速外部晶體振蕩器）、 LDO（電壓調(diào)節(jié)器）、 POR / PDR（上電/掉電復(fù)位）、 FWDGT（獨(dú)立看門狗定時(shí)器）和除 PC13、PC14 和 PC15 之外的所有 PAD 等等。另外，上圖中與PMU控制器連接的PA0、NRST、FWDGT以及RTC表示待機(jī)模式下的喚醒源。VDDA域?yàn)槟M電源域包括 ADC / DAC（AD / DA 轉(zhuǎn)換器）、 IRC8M（內(nèi)部 8M RC 振蕩器）、 IRC48M（內(nèi)部 48M RC 振蕩器）、 IRC40K（內(nèi)部 40KHz RC振蕩器） PLLs（鎖相環(huán)）和 LVD（低電壓檢測(cè)器）等等。

POR / PDR（上電/掉電復(fù)位）電路檢測(cè)VDD / VDDA并在電壓低于特定閾值時(shí)產(chǎn)生電源復(fù)位信號(hào)復(fù)位除備份域之外的整個(gè)芯片。下圖顯示了供電電壓和電源復(fù)位信號(hào)之間的關(guān)系。 VPOR 表示上電復(fù)位的閾值電壓，典型值約為 2.40V， VPDR 表示掉電復(fù)位的閾值電壓，典型值約為1.8V。遲滯電壓Vhyst值約為600mV。

? 注意：當(dāng)電源電壓高于VPOR后，MCU內(nèi)部會(huì)延遲2ms后再拉高NRST，MCU才會(huì)正式啟動(dòng)，此時(shí)可確保MCU啟動(dòng)時(shí)刻VDD電壓已高于VPOR。

GD32F303系列MCU具有LVD低電壓檢測(cè)功能，如下圖所示，LVD 的功能是檢測(cè) VDD / VDDA 供電電壓是否低于低電壓檢測(cè)閾值，該閾值由電源控制寄存器（PMU_CTL）中的 LVDT[2:0]位進(jìn)行配置。 LVD 通過(guò) LVDEN 置位使能，位于電源狀態(tài)寄存器（PMU_CS）中的 LVDF 位表示低電壓事件是否出現(xiàn)，該事件連接至 EXTI 的第 16 線，用戶可以通過(guò)配置 EXTI 的第16 線產(chǎn)生相應(yīng)的中斷。 LVD 中斷信號(hào)依賴于 EXTI 第 16 線的上升或下降沿配置。遲滯電壓 Vhyst值為 100mV。

? 注意：LVD一般可用于欠壓異常處理或者用于掉電檢測(cè)。

1.2V電源域

1.2V 電源域?yàn)?Cortex?-M4 內(nèi)核邏輯、 AHB / APB 外設(shè)、備份域和 VDD / VDDA域的 APB 接口等供電。若系統(tǒng)系統(tǒng)工作在高頻狀態(tài)建議使能高驅(qū)模式。

電池備份域

電池備份域由內(nèi)部電源切換器來(lái)選擇VDD供電或VBAT（電池）供電，然后由VBAK為備份域供電，該備份域包含RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）、 LXTAL（低速外部晶體振蕩器）、 BPOR（備份域上電復(fù)位）、BREG（備份寄存器），以及PC13至PC15共3個(gè)BKPPAD。為了確保備份域中寄存器的內(nèi)容及RTC正常工作，當(dāng)VDD關(guān)閉時(shí)， VBAT引腳可以連接至電池或其他等備份源供電。電源切換器是由VDD / VDDA域掉電復(fù)位電路控制的。對(duì)于沒(méi)有外部電池的應(yīng)用，建議將VBAT引腳通過(guò)100nF的外部陶瓷去耦電容連接到VDD引腳上。

? 注意：由于PC13至PC15引腳是通過(guò)電源切換器供電的，電源切換器僅可通過(guò)小電流，因此當(dāng)PC13至PC15的GPIO口在輸出模式時(shí)，其工作的速度不能超過(guò)2MHz（最大負(fù)載為30Pf）。

電池備份域中具有84字節(jié)備份數(shù)據(jù)寄存器，該備份數(shù)據(jù)寄存器可用于存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)，且在掉電復(fù)位以及系統(tǒng)復(fù)位情況下數(shù)據(jù)不丟失，僅在發(fā)生侵入事件時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)被擦除。

若讀者有在VDD掉電情況下RTC繼續(xù)工作的應(yīng)用需求，需要VBAT引腳外接電池并使用LXTAL外部低頻晶振，這樣在VDD掉電的情況下，VBAT供電將會(huì)由VDD切換到VBAT，LXTAL和RTC均可正常工作，后續(xù)VDD上電后同步RTC寄存器即可獲取正確的RTC時(shí)間。

6.2.2 低功耗模式

GD32F303系列MCU具有三種低功耗模式，分別為睡眠模式、深度睡眠模式和待機(jī)模式。

睡眠模式與 Cortex?-M4 的 SLEEPING 模式相對(duì)應(yīng)。在睡眠模式下，僅關(guān)閉 Cortex?-M4的時(shí)鐘，如需進(jìn)入睡眠模式，只要清除 Cortex?-M4 系統(tǒng)控制寄存器中的 SLEEPDEEP 位，并執(zhí)行一條 WFI 或 WFE 指令即可。

深度睡眠模式與 Cortex?-M4 的 SLEEPDEEP 模式相對(duì)應(yīng)，在深度睡眠模式下， 1.2V 域中的所有時(shí)鐘全部關(guān)閉， IRC8M、 HXTAL 及 PLLs 也全部被禁用，SRAM 和寄存器中的內(nèi)容被保留，根據(jù) PMU_CTL 寄存器的 LDOLP 位的配置，可控制 LDO 工作在正常模式或低功耗模式。進(jìn)入深度睡眠模式之前，先將 Cortex?-M4 系統(tǒng)控制寄存器的 SLEEPDEEP 位置 1，再清除PMU_CTL 寄存器的 STBMOD 位，然后執(zhí)行WFI 或 WFE 指令即可進(jìn)入深度睡眠模式。

待機(jī)模式是基于 Cortex?-M4 的 SLEEPDEEP 模式實(shí)現(xiàn)的。在待機(jī)模式下，整個(gè) 1.2V 域全部停止供電，同時(shí) LDO 和包括 IRC8M、 HXTAL 和 PLL 也會(huì)被關(guān)閉。進(jìn)入待機(jī)模式前，先將Cortex?-M4 系統(tǒng)控制寄存器的 SLEEPDEEP 位置 1，再將 PMU_CTL 寄存器的 STBMOD位置 1，再清除 PMU_CS 寄存器的 WUF位，然后執(zhí)行WFI 或 WFE 指令，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式。

低功耗模式相關(guān)數(shù)據(jù)可參考下表，不同的低功耗模式是通過(guò)關(guān)閉不同時(shí)鐘以及電源來(lái)實(shí)現(xiàn)的，關(guān)閉的時(shí)鐘和電源越多，MCU所進(jìn)入的睡眠模式將會(huì)越深，功耗也會(huì)越低，帶來(lái)的喚醒時(shí)間也會(huì)越長(zhǎng)，其喚醒源也會(huì)越少。睡眠模式是最淺的低功耗模式，僅關(guān)閉了CPU，代碼不再運(yùn)行，所有的中斷或事件均可喚醒，喚醒時(shí)間也最快；深度睡眠模式時(shí)中間的低功耗模式，關(guān)閉了1.2V電源域時(shí)鐘以及IRC8M/HXTAL/PLL，僅可通過(guò)EXTI中斷或事件喚醒，喚醒后需要重新配置系統(tǒng)時(shí)鐘；待機(jī)模式是功耗最低的低功耗模式，關(guān)閉了1.2V電源域電源以及IRC8M/HXTAL/PLL，僅可通過(guò)NRST/看門狗/RTC鬧鐘/WKUP引腳喚醒，喚醒后MCU將會(huì)復(fù)位重啟。

各種睡眠模式下的功耗可以參考數(shù)據(jù)手冊(cè)描述，睡眠模式下相較于同主頻模式下的運(yùn)行模式功耗減少約50%，深度睡眠和待機(jī)模式功耗更低，如下表所示，深度睡眠模式下功耗常溫典型值為133ua-189ua，待機(jī)模式下功耗常溫典型值為5uA。

? 注意：由于深度睡眠模式具有較低的功耗，喚醒后繼續(xù)從斷點(diǎn)處執(zhí)行，因而具有更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，但需注意若需達(dá)到較一致的MCU深度睡眠功耗，需要將系統(tǒng)中未使用的MCU引腳均配置為模擬輸入狀態(tài)，包括芯片內(nèi)部未引出的pad。

Note:左側(cè)是常溫下的典型數(shù)值，中間為85度下的典型數(shù)值，右側(cè)為常溫下的最大數(shù)值。

6.3 硬件設(shè)計(jì)

本例程stanby的喚醒使用到了PA0喚醒引腳，其電路如下所示。

6.4 代碼解析

本例程實(shí)現(xiàn)deepsleep以及standby的進(jìn)入以及喚醒測(cè)試，首先我們來(lái)看下主函數(shù)，如下所示。該主函數(shù)首先配置了系統(tǒng)主時(shí)鐘、延遲、打印和LED函數(shù)，并打印Example of Low Power Test Demo。之后查詢是否進(jìn)入過(guò)Standby模式，如果進(jìn)入過(guò)Standby模式，表示當(dāng)前狀態(tài)為standby喚醒后的復(fù)位，則打印A reset event from Standby mode has occurred，并翻轉(zhuǎn)LED0，因而驗(yàn)證standby喚醒的時(shí)候，其現(xiàn)象可觀察到LED0的翻轉(zhuǎn)。之后使能wakeup引腳的喚醒以及按鍵的初始化，此時(shí)將KEY0配置為中斷模式。在while（1）中，查詢KEY1是否按下，如果按下則打印Entering Standby Mode.并進(jìn)入standby模式，如果key2按下，則打印Enter Deepsleep mode.并進(jìn)入Deepsleep模式，從deepsleep模式喚醒后需要重新配置時(shí)鐘，打印Exit Deepsleep mode.并翻轉(zhuǎn)LED1。Standby的喚醒使用PA0 wakeup引腳，deepsleep的喚醒可使用任何EXTI中斷，本實(shí)例中使用PE2的KEY0按鍵中斷喚醒。

C
int main(void)
{
rcu_periph_clock_enable(RCU_PMU);
rcu_system_clk_config_120M();
driver_init();
bsp_uart_init(&BOARD_UART); ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????/* 板載UART初始化 */
printf("Example of Low Power Test Demo.\r\n");

delay_ms(2000);
bsp_led_group_init();

if(pmu_flag_get(PMU_FLAG_RESET_STANDBY)==SET)
{
printf("A reset event from Standby mode has occurred.\r\n");
bsp_led_toggle(&LED0);
pmu_flag_clear(PMU_FLAG_RESET_STANDBY);
}
rcu_all_reset_flag_clear();

pmu_wakeup_pin_enable();
KEY0.key_gpio->gpio_mode = INT_HIGH;
KEY0.key_gpio->int_callback = key0_IRQ_callback;
bsp_key_group_init();
nvic_irq_enable(EXTI2_IRQn,0,0);

while (1)
{
if(bsp_key_state_get(&KEY1)!=RESET)
{
printf("Entering Standby Mode.\r\n");
bsp_led_toggle(&LED0);
pmu_to_standbymode(WFI_CMD);
}
if(bsp_key_state_get(&KEY2)!=RESET)
{
printf("Enter Deepsleep mode.\r\n");
bsp_led_toggle(&LED1);
config_allgpio_into_analog();
bsp_key_group_init();
pmu_to_deepsleepmode(PMU_LDO_NORMAL, PMU_LOWDRIVER_DISABLE, WFI_CMD);
bsp_led_group_init();
bsp_uart_init(&BOARD_UART); ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????/* 板載UART初始化 */
printf("Exit Deepsleep mode.\r\n");
bsp_led_toggle(&LED1);
}
}
}

需要注意，進(jìn)入deepsleep之前需要將不用的GPIO全部配置為模擬輸入的模式，為了得到更為一致且較低的功耗，其配置函數(shù)如下。

在配置所有IO為模擬輸入之后，如果有需要保持GPIO狀態(tài)的引腳，需要配置后再進(jìn)入deepsleep，如例程中的按鍵引腳，因?yàn)樾枰存I喚醒deep sleep。

C
void config_allgpio_into_analog(void)
{

rcu_periph_clock_enable( RCU_GPIOA );
rcu_periph_clock_enable( RCU_GPIOB );
rcu_periph_clock_enable( RCU_GPIOC );
rcu_periph_clock_enable( RCU_GPIOD );
rcu_periph_clock_enable( RCU_GPIOE );
rcu_periph_clock_enable( RCU_GPIOF );
rcu_periph_clock_enable( RCU_GPIOG );
rcu_periph_clock_enable( RCU_AF );

GPIO_CTL0( GPIOA ) = 0x0 ;
GPIO_CTL1( GPIOA ) &= 0xFFF00000 ;

GPIO_CTL0( GPIOB ) &= 0x000FF000 ;
GPIO_CTL1( GPIOB ) = 0x0 ;

GPIO_CTL0( GPIOC ) = 0x0 ;
GPIO_CTL1( GPIOC ) = 0x0 ;

GPIO_CTL0( GPIOD ) = 0x0 ;
GPIO_CTL1( GPIOD ) = 0x0 ;

GPIO_CTL0( GPIOE ) = 0x0 ;
GPIO_CTL1( GPIOE ) = 0x0;

GPIO_CTL0( GPIOF ) = 0x0 ;
GPIO_CTL1( GPIOF ) = 0x0;

GPIO_CTL0( GPIOG ) = 0x0 ;
GPIO_CTL1( GPIOG ) = 0x0 ;

RCU_AHBEN = 0;
RCU_APB2EN = 0;
RCU_APB1EN = 0;

rcu_periph_clock_disable( RCU_GPIOA );
rcu_periph_clock_disable( RCU_GPIOB );
rcu_periph_clock_disable( RCU_GPIOC );
rcu_periph_clock_disable( RCU_GPIOD );
rcu_periph_clock_disable( RCU_GPIOE );
rcu_periph_clock_disable( RCU_GPIOF );
rcu_periph_clock_disable( RCU_GPIOG );
rcu_periph_clock_disable( RCU_AF );
}

6.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將本實(shí)驗(yàn)歷程燒錄到紅楓派實(shí)驗(yàn)板中，按下KEY1按鍵將進(jìn)入standby模式，并打印Entering Standby Mode.，然后按下wakeup按鍵，將從stanby模式喚醒，打印A reset event from Standby mode has occurred.并翻轉(zhuǎn)LED0，之后按下KEY2按鍵將打印Enter Deepsleep mode.進(jìn)入deepsleep模式，然后按下KEY0按鍵將從deepsleep模式下喚醒，喚醒后重新配置時(shí)鐘，打印Exit Deepsleep mode.并將LED1翻轉(zhuǎn)。

具體現(xiàn)象如下所示。