STM32L051. 6. Контроль питания. 6.1 Источники питания

Автор: | 02.02.2017
Нет комментариев

6.1 Источники питания

При отключенном блоке сброса и при понижении питания (brownout reset (BOR)) микроконтроллер требует питания в диапазоне 1,8-3,6В Vdd (допускается 1,65В в режиме пониженного потребления (power-down)). Если BOR отключен, то диапазон рабочих напряжений составляет 1,65-3,6В Vdd.

Встроенный линейный стабилизатор, используемый для питания внутренней цифровой части, работает в диапазоне 1,2 — 1,8В.

  • Vdd=1,8В (в нормальном режиме питания (at power-on)) или 1,65В (в режиме power-down) до 3.6В при активном BOR. Vdd=1,65-3,6В, при отключенном BOR. Вывод Vdd служит для подключения внешнего источника напряжения для питания портов входа/выхода (I/Os) и внутреннего стабилизатора. Напряжение питание подается на пины Vdd.
  • Vcore(Питание ядра)=1,2-1,8В. Vcore — напряжение питания для цифровой периферии, ОЗУ, ПЗУ (FLASH). Оно формируется с помощью внутреннего стабилизатора напряжения. Три диапазона Vcore могут быть выбраны программно в зависимости от напряжения питания Vdd (Рисунок 11).
  • Vssa, Vdda=1,8В (at power-on) или 1,65В (в режиме power-down) до 3,6В, при активном BOR. Vssa, Vdda=1,65-3.6В при отключенном BOR. Vdda — внешнее аналоговое напряжение питания необходимое для работы АЦП, блока сброса, RC генератора и блока ФАПЧ (PLL). Для устройств серии 1 (stm32l05_1_ (category 1)) в маловыводном корпусе Vdda соединен с Vdd (более подробней описание есть в соответствующем разделе документации).
  • Vref+ — вход для опорного напряжения. Этот вывод доступен только в многовыводных корпусах, иначе просто соединен с Vdda.

Рисунок 10. Общий вид системы питания.

Перевод сносок:

  1. Vdda и Vssa должны быть соединены с Vdd и Vss соответственно.
  2. В зависимости от использованного диапазона рабочего напряжения некоторые блоки периферии могут быть ограничены по функциональности или производительности.
  3. Вывод Vref+ доступен только в корпусе TFBGA64.

6.1.1 Независимое питание АЦП и опорное напряжение

Чтобы улучшить точность преобразования, питание АЦП должно формироваться и фильтроваться отдельно, а также экранировано от шума на печатной плате (ПП).

  • Вход питания АЦП доступен на отдельном пине Vdda.
  • Изолированное отрицательное напряжения питания АЦП соединено с выводом Vssa.

Примечание: Для устройств category 1 в 14 выводном корпусе Vdda соединен с Vdd внутри самой микросхемы.

Для устройств в корпусах, имеющих более 64 вывода и UFBGA64

Чтобы быть уверенным в наилучшей точности на низковольтных входах и выходах, можно подключить вывод Vref+ к отдельному источнику опорного напряжения (ИОН), с напряжением меньше чем Vdd. Vref+ это напряжение, представляющие максимум полной шкалы измерения АЦП.

Для примера: 1.65≤ Vref≤ Vdda

Для устройств в корпусах, имеющих 64 вывода и менее (исключая BGA)

Вывод Vref недоступен, он подключен внутри микросхемы к напряжению питанию АЦП (Vdda).

6.1.2 Часы реального времени (RTC) и резервные (backup) регистры  RTC.

RTC представляет собой независимый двоично-десятичный (BCD) таймер/счетчик. RTC обеспечивает подсчет времени/календаря, два настраиваемых прерывания будильника (alarm), а также доступный для настройки, периодически возникающий флаг для выхода МК из режима сна (wakeup flag), с возможностью прерывания. RTC содержит 5 backup регистра (всего 20 байт). Backup регистры сбрасываются при событии попытки порчи (tamper event). Более подробно работа блока RTC описана в соответствующей части документации.

Доступ к регистрам RTC.

После сброса регистры RTC и backup регистры находятся в состоянии защиты от случайной записи. Для того, чтобы получить доступ к записи данных регистров, необходимо выполнить следующую последовательность действий:

  1. Разрешить питание интерфейса тактирования путем выставления бита PWREN в регистре RCC_APB1ENR.
  2. Выставить бит DPB в регистре PWR_CR (смотрите раздел 6.4.1).
  3. Выбрать источник тактирования RTC с помощью битов RTCSEL[1:0] в регистре RCC_CRS.
  4. Разрешить тактирование RTC с помощью бита RTCEN в RCC_CRS.

6.1.4 Стабилизатор напряжения

Встроенный линейный стабилизатор напряжения питает все цифровые схемы, кроме схемы режима ожидания (Standby circuitry). Выходное напряжение стабилизатора (Vcore) может быть программно выбрано из трех различных диапазонов от 1,2В до 1,8(обычное)(смотрите раздел 6.1.4).

Стабилизатор всегда активен после сброса. Он работает в трех различных режимах: основной (main (MR)), низкого потребления (low-power (LPR)) и отключения питания (power-down). Режимы работы регулятора зависят от состояния, в котором находится МК.

  • В нормальном состоянии (Run mode) стабилизатор находится в режиме MR и формирует полное питание для домена Vcore (ядро, память и цифровая периферия).
  • В состоянии низкого потребления (Low-power mode) находится в режиме LPR и формирует пониженное питание домена Vcore. В этом состоянии сохраняется содержимое регистров и внутренней ОЗУ.
  • В состоянии сна (Sleep mode), стабилизатор находится в режиме MR и формирует полное питание для домена Vcore. В этом состоянии сохраняется содержимое регистров и внутренней ОЗУ.
  • В состоянии сна с режимом низкого потребления (Low-power Sleep mode) находится в режиме LPR и формирует пониженное питание домена Vcore. В этом состоянии сохраняется содержимое регистров и внутренней ОЗУ.
  • В состоянии останова (Stop mode) находится в режиме LPR и формирует пониженное питание домена Vcore. В этом состоянии сохраняется содержимое регистров и внутренней ОЗУ.
  • В состоянии ожидания (Standby mode) стабилизатор отключен (power-down). В этом состоянии не сохраняется содержимое регистров и внутренней ОЗУ, кроме блоков Standby circuitry.

6.1.4 Система динамического масштабирования напряжения

Данная система является инструментом для увеличения и понижения напряжения Vcore в зависимости от внешних обстоятельств. Динамическое масштабирования для повышения Vcore называется перенапряжением (overvolting). Overvolting позволяет улучшить производительность. Рисунок 11. описывает зависимости режима работы от производительности CPU, а также электрические характеристики для частоты клока АЦП от динамического диапазона.

Динамическое масштабирования для понижения Vcore называется недонапряжением (undervolting). Undervolting позволяет экономить энергию. Обычно такой режим применяют в ноутбуках или других мобильных устройствах, где работа идет от батареи и соответственно важно иметь пониженное энергопотребление.

Диапазон 1

Диапазон 1 это режим «высокой производительности».

Стабилизатор напряжения имеет на выходе 1,8В (обычно) до тех пор пока напряжение на входе Vdd выше 1,71В. Операции по записи/стиранию flash памяти могут производится в этом диапазоне.

Когда Vdd ниже 2,0В тактовая частота CPU должна менять свое начальное и конечное значение с соблюдением следующих условий:

  • fcpu_final<4xfcpu_initial.
  • Кроме того нужно выдерживать задержку равной 5 мкс между двумя изменениями частоты. Пример: для переключения частоты с 4,2 на 32Мгц, а затем с 4,2 на 16Мгц, нужно выдержать паузу между двумя этими переключениями (на 16 и на 32 МГц).

Диапазон 2 и 3

Стабилизатор может быть также настроен на выходное напряжение 1,5В (обычно в режиме 2) или на 1,2В (обычно в режиме 3) без какого либо ограничения Vdd (1,65-3,65В).

  • При напряжении 1,5В флеш память все еще работает, но имеет среднее время доступа на чтение. Это диапазон «средней производительности». Запись/стирание все еще возможны.
  • При напряжении 1,2В флеш память все еще работает, но имеет больше время доступа на чтение. Это диапазон «малой производительности». Запись/стирание не возможны в данных условиях.

Таблица 33. Зависимость производительности от диапазона Vcore

Рисунок 11. Зависимости производительности от Vdd и диапазонов Vcore

6.1.5 Настройка системы динамического масштабирования напряжения

Последовательность действий необходимая для настройки диапазона стабилизатора напряжения:

  1. Проверить Vdd в соответствии с рисунком 11., чтобы выбрать доступный диапазон
  2. Проверять бит VOSF в регистре PWR_CSR, до тех пор пока он не сбросится в 0.
  3. Сконфигурировать диапазон масштабирования установкой битов VOS[1:0] в регистре PWR_CR.
  4. Проверять бит VOSF в регистре PWR_CSR, до тех пор пока он не сбросится в 0.

Примечание: в процессе конфигурации, системный клок будет остановлен  до тех пор пока не стабилизируется регулятор напряжения (VOSF=0). Это необходимо учитывать при разработке приложений, которые имеют критическое время реакции на прерывание, а также зависимости от используемой периферии (таймер, коммуникационные интерфейсы)

6.1.6 Стабилизатор напряжения и управление клоком при падении Vdd ниже 1,71В

Когда выбран диапазон 1 Vcore и Vdd падает ниже 1,71В, приложение должно переконфигурировать систему.

Трех ступенчатая последовательность необходимая для реконфигурации системы:

  1. Определение падения Vdd ниже 1,71в: Используйте блок PVD — Programmable Voltage Detector для генерации прерывания, когда напряжение Vdd упадет ниже заданного уровня. Для определения предела 1,71В приложение может выбрать программно выбрать порог PVD 2 (обычно 2,26В). Более подробное описание PVD в разделе 6.2.3
  2. Подстроить частоту к диапазону напряжения, который будет выбран на следующем шаге.  Для напряжения ниже 1,71В, системная тактовая частота ограничена значением 16МГц для диапазона 2 и 4,2МГц для диапазона 3.
  3. Выбрать требуемый диапазон напряжения: При напряжении Vdd ниже 1,71В могут быть выбраны только диапазоны 2 и 3.

Примечание: Когда выбран диапазон Vcore 2 или 3 и Vdd падает ниже 1,71В система не требует переконфигурации.

6.1.7 Стабилизатор напряжения и управление тактовой частотой при модифицировании диапазона Vcore.

Когда Vdd больше 1,71В, любой из трех диапазонов может быть выбран:

  • Когда диапазон напряжения выше целевого диапазона напряжения (т.е. диапазоны от 1 до 2):
  1.  Подстройте тактовую частоту под нижний диапазон напряжения, который будет выбран на следующем шаге
  2. Выберите требуемый диапазон
  • Когда диапазон напряжения ниже целевого диапазона напряжения (т.е. диапазоны от 3 до 1):
  1. Выберите требуемый диапазон
  2. Подстройте тактовую частоту, если необходимо

Когда Vdd ниже 1,71В, только диапазоны 2 и 3 могут выбраны:

  • Для перехода со 2 на 3 диапазон:
  1. Подстройте тактовую частоту к диапазону 3
  2. Выберите диапазон 3
  • Для перехода с 3 на 2 диапазон:
  1. Выберите диапазон 2
  2. Подстройте тактовую частоту, если необходимо

6.1.8 Диапазон напряжения и ограничения, когда Vdd находится в диапазоне от 1,71В до 2,0В

Стабилизатор напряжения STM32L0x1 основан на архитектуре Ultra-low-power. Это значит, что нет необходимости во внешних конденсаторах. Такие стабилизаторы чувствительны к быстрому изменению нагрузки. Это значит, что напряжение на выходе уменьшается за короткий период времени. Принимая во внимание, что Vcore должно быть выше 1,65В, чтобы уверенно работать на 32МГц, это ограничение является критичным для очень маленьких напряжений Vdd (минимальный предел Vdd — 1,71В).

Что бы гарантированно работать на частоте 32МГц при напряжении Vdd=1,8В±5%, с 1 циклом ожиданием (wait state) и диапазоном Vcore 1, частота CPU в рабочем режиме не должна допускать любые 4 изменения диапазонов за раз. Задержка 5 мкс необходима между двумя изменениями. Этого ограничения нет при выходе из сна (waking up) в режима пониженного энергопотребления (low-power mode).