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【经验分享】VBAT 管脚上的怪现象

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STMCU小助手 发布时间:2022-2-16 19:52
问题:) `; e2 C; K" o) H: Q5 H% u
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。
& ~; u' v( K6 _9 O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:
0 N/ R/ |% i3 ^% Q1 Q6 q. Y& Z; Q- @
YKZ[P02949TTJB{I6NLST~5.png
8 {  l) j+ ]9 A$ j) J/ J' G$ G' T5 ]* d' Z, e5 v. H/ X& v
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。2 Z0 z# u0 `' d% h, O0 g
& Z5 l4 @; m/ J* ]) B% i
CPKSTV89@8){K$FZT5{~NUS.png   L/ u  n; O. K, w( J

4 ^; q+ m- q. U) V7 O5 k调研:
( R2 r4 ?# Y) A4 Y- R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:: X. a- t* L8 Y+ u# B/ O, U7 g1 n2 K
# g, F, |# W/ M3 e4 T" `8 @
VQ({9(P8)B)8~YC{L[E_6WL.png 8 j. x5 y2 Q4 z3 T: |
9 K! J: ]9 q: o) C- n
于是,图一的电路可以用图三的电路来等效:
) C' x( @/ O4 p& ?4 k' K6 ^$ |5 t7 c
}9JNLKNYXRBZ{S45N4TG){6.png
: y  P. t/ e8 z/ U* }6 J( J
% Y/ {8 y/ e- z, i& a  N结论:# C" C" v/ d; F* J+ k/ x" }1 x0 ?
由图三可见,该电路存在两点问题:$ Q" G- L" b, N$ x+ {/ p# w, R
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" m* d. T, A4 z- C( H* g, s
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
6 u) L+ S5 D( P4 _2 g8 M( H8 k* Y
" L9 r: X; i+ U7 E& x7 a! N9 f/ e   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。
9 B2 t# \: h# S: R2 y# C6 C   
7 I: f( r: n  X6 ]. q# l
  `7 K* V& N& M, ], L8 q9 ~处理:- k7 S: {0 g' t% d5 }2 l' e. c
1. 调整分压电阻的参数,使输出电阻降为 100K
( o4 e" S7 q5 {1 C2. 将 56uF 电容换成 0.1uF 电容, L- H3 m8 ^% i$ w# C7 r+ M' D8 O7 i
1 }- C6 g, I: i' g, m6 G
建议:
0 n2 x$ s; _! O: j/ q: ?% b   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:
" [4 @: B6 j' y   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- R' W' o) q' q0 l7 u8 U7 r
   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! z8 y5 l$ c% `. ]( @) k6 f. |7 P2 m
   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。# f6 O% W, m. B$ }- r- J7 q
0 ?5 t. ~* X" W  B' u9 `
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