使用外部SMPS的STM32L4xxxx的设计建议，超低功耗高性能应用指南

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STMCU小助手发布时间：2022-7-11 22:18

技术帖
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文章简介:	使用外部SMPS的STM32L4xxxx的设计建议，超低功耗高性能应用指南

引言
STM32L4xxxx微控制器使用具有高度灵活性和高级外设集的新型架构，获得一流的超低功耗值。STM32L4和STM32L4+系列产品提供最佳能效，在超低功耗领域首屈一指。
STM32L4xxxx器件基于Arm® Cortex®-M4，具有FPU内核。
STM32L4系列微控制器的工作频率最高80 MHz，在频率为80 MHz时达到100 DMIPS的性能，而STM32L4+系列的工作频率最高120 MHz，在频率为120 MHz时达到150 DMIPS的性能。它们全部集成了Chrom_ART Accelerator™，同时还能保持尽可能小的动态功耗。
STM32L4和STM32L4+系列采用灵活的功耗模式管理，可降低应用的整体功耗。为了进一步使蓄电池使用寿命最大化，STM32L4xxxx超低功耗控制器具有外部SMPS（开关模式电源）版本通过从外部DC/DC（直流/直流）转换器而不是集成LDO生成VCORE逻辑供电来提高运行模式下的能效。这些器件（标有后缀“P”）使用不同的引脚排列，用两个必须连接到外部SMPS的VDD12供电引脚取代两个GPIO引脚。因此，可用GPIO的数量减少了2个。“运行”模式下的预期功耗增益可高至~60%。
本应用笔记仅适用于表 1中所列产品（详情请参见相应数据手册[3]的订货代码）。

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1预期功率增益
通过使用外部开关模式电源（SMPS）而不是集成低压降调节器（LDO），可使用等于内部VCORE供电电压与VDD电压之比的因子来优化功耗。SMPS带来的改善只取决于SMPS效率和VDD电压。
表 2代表了在Nucleo -144 SMPS板[2]上使用STM32L496器件获得的典型增益，其中VDD12 =1.1 V且VDD = 3.3 V（在运行模式下）。

如上面的表格所示，使用SMPS可以显著降低微控制器的能耗，在该Nucleo板下增益可达63%。

2硬件说明
2.1硬件概述
STM32L4xxxx超低功耗微控制器内置两个线性调压器，用于为其数字部分供电。
关于STM32L4系列各种功耗状态的详细信息，请参见AN4621[5]。
当STM32L4xxxx处于运行、睡眠或停止0模式时，它使用其内部主调压器。STM32L4 SMPS封装允许将外部电源连接到VDD12引脚。这种情况下，如果连接到VDD12引脚的外部电源超过内部生成的电压（VDD12I）50 mV或更多，主调压器（MR）会被自动禁用，并由外部源提供数字电流。

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2.2 VDD12供电规则
2.2.1 STM32L4系列
由于VDD12电压直接为内部逻辑供电，它必须符合以下规则：
1. VDD12在任何情况下都不得超过1.32 V的绝对最高电压（包括SMPS的波动和尖峰），否则存在可靠性和硬件退化的风险。
2. 如果应用只适合26 MHz以下的SYSCLK频率，则VDD12电压必须高于1.05 V。这种情况下，必须应用主调压器范围2的闪存延迟和外设参数的限制（USB，RNG）。
3. 如果应用需要完整SYSCLK频率范围（最高80 MHz），则VDD12电压必须高于1.08 V。这种情况下，必须应用主调压器范围1的闪存延迟参数。
4. 在为MCU通电时，必须断开SMPS。用户必须确保开关关闭，直至SMPS输出电压稳定下来。
5.当发生复位时，以下规则适用：
a) 如果VDD12低于1.25 V，则在复位信号传输期间（最长延时1 µs），外部SMPS必须从VDD12引脚断开。
b) 如果VDD12高于1.25 V，则无需断开SMPS。
6. 仅当SYSCLK频率<26 MHz时，才允许VDD12的SMPS从连接过渡到断开，避免主LDO重启时发生大压降。
7. 仅当处于运行、睡眠或停止0模式，并且仅当VDD12高于主调压器输出电压至少50 mV时，才可以连接SMPS。在其他模式下，必须将SMPS断开。
8. VDD12必须在VDD和内部LDO就绪后被输入。

2.2.2 STM32L4+系列
由于VDD12电压直接为内部逻辑供电，它必须符合以下规则：
1. VDD12在任何情况下都不得超过1.32 V的绝对最高电压（包括SMPS的波动和尖峰），否则存在可靠性和硬件退化的风险。
2. 如果应用只适合26 MHz以下的SYSCLK频率，则VDD12电压必须高于1.05 V（且可能是1.08 V）才能支持闪存写/擦除操作。这种情况下，必须应用主调压器范围2的闪存延时和外设参数的限制（USB，RNG）。
3. 如果应用需要完整SYSCLK频率范围（最高80 MHz），则VDD12电压必须高于1.08 V。这种情况下，必须应用主调压器范围1闪存延迟参数。
4. 如果应用需要完整SYSCLK频率范围（最高120 MHz），则VDD12电压必须高于1.14 V。这种情况下，必须应用主调压器范围1闪存延迟参数。
5. 在为MCU通电时，必须断开SMPS。用户必须确保开关关闭，直至SMPS输出电压稳定下来。
6.当发生复位时，以下规则适用：
a) 如果VDD12低于1.25 V，则在复位信号传输期间（最长延时1 µs），外部SMPS必须从VDD12引脚断开。
b) 如果VDD12高于1.25 V，则无需断开SMPS。
7. 仅当SYSCLK频率小于26 MHz时，才允许VDD12的SMPS从连接过渡到断开，避免主LDO重启时发生大压降。
8. 仅当处于运行、睡眠或停止0模式，并且仅当VDD12高于主调压器输出电压至少50 mV时，才可以连接SMPS。在其他模式下，必须将SMPS断开。
9. VDD12必须在VDD和内部LDO就绪后被输入。AN4978 Rev 1 [English Rev 4] 9/22

2.3如何选择合适的外部元件
在常规实现中，用户必须考虑两个要素，即SMPS和开关（请注意，一些SMPS器件集成了开关）。为了选择这两个关键要素，用户必须定义应用需要的最大电流（Imax）和频率。
STM32CubeMX PCC工具使用给定CPU频率和外设配置计算电流。

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2.4 选择SMPS
对于STM32L4和STM32L4+系列，SMPS最高电压不得超过1.32 V，无论是SMPS波动还是瞬态（分别参见第 2.2.1节中的规则1和第 2.2.2节中的规则1）。
在选择SMPS最低电压时（第 2.2.1节中的规则2和3，第 2.2.2节中的规则2和3），必须考虑：
•Ron：开关在给定输出电压和温度下“打开”电阻
•Imax：应用的最大峰值电流
•Verror：SMPS精度（通常为百分之几）加上有载时的电压变化量（负载瞬态）以及所选SMPS外部C和L导致的波动（参见SMPS供应商的应用笔记）。

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某些情况下，当不需要SMPS时，可以在低功耗模式下的长周期内打开和关闭SMPS。但是，某些SMPS器件需要较长的设置时间（几ms），并且由于外部输出电容的再充电等原因，重启期间功耗较大（几mj）。
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2.5开关和控制方案的选择
选择开关时要考虑的主要参数是它在相应VSMPS输出电压时的Ron，如上一组等式所表达的。
板设计者有责任证明VDD12引脚上的电压从未超过1.32 V且从未低于1.05 V（或1.08 V），即使是在开关打开或关闭时的瞬态期间。这意味着开关与VDD12引脚之间的PCB走线足够短，能够避免在阻抗变化（开/关或关/开）时形成显著波动。一种明智的做法是在每个VDD12引脚上添加一个1 nF去耦电容，以便减弱因开关栅极电容导致的波动和瞬变（例如在Nucleo-144 SMPS板[2]和Nucleo-64 SMPS板[6]上）。

注：不能将此类额外电容增加到超过几nF，否则会导致STM32L4/L4+内部调压器不稳定。
另一个参数是发生异步复位时从SMPS隔离VDD12的1 µs（最大值）开关打开时间（第 2.2.1节中的规则5，第 2.2.2节中的规则6）。

图 2中电阻R的用途如下：
•它保证在带电复位时，开关的控制电压将开关配置为打开。请注意，还必须检查并确认VDD升高时开关是打开的。另请参见开关数据手册。
•它保证在打开时，开关控制信号被驱动为低，在发生异步复位时打开开关。这是因为GPIO在复位时处于Hi-Z状态。
选择满足以下参数的R值：
•当发生异步复位时，关闭开关的时间常量为1 µs。R值越小，开关关闭速度越快。因此，R值取决于开关控制信号输入电容，参见图 3。
•仅运行模式下容许额外功耗。在这里，大R值减小了处于运行/睡眠/停止0模式时的额外电流。

注：可以使用其他硬件方案，具体取决于应用以及运行和/或低功耗模式下的容许电流。
图 3所示为R = 33 kΩ时异步复位的捕获。

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