牛卧堂MCU技术交流

Nano系列是以Cotex-m0为内核的超低功耗MCU。进入深度睡眠模式时，所有IP都关闭的情况下的功耗为1uA；RTC和段式LCD屏都工作的情况下功耗10uA左右。客户的系统中往往不止MCU一颗IC，怎样让系统进入深度睡眠模式时的功耗最低？一直是客户问的最多的问题，也是问题最多的地方。本文介绍一些原则和调试的方法，希望对大家有帮助。

1.1 寄存器

涉及到的寄存器包括：

PWRCTL、AHBCLK和APBCLK寄存器。
- PWRCTL查看内部10K(LIRC)和外部32K(LXT)是否关闭，如果不需要使用就关闭。这两个晶振硬件不会帮忙关闭，需要软件自行关闭。
- AHBCLK和APBCLK中查看开启的IP，掉电模式下不需要工作的IP，把相应的时钟也关闭
GPIO中的PMD（模式寄存器），OFFD（关闭数字通路寄存器），PUEN（使能内部上拉）寄存器。
系统中的IO功能设定寄存器MFP

1.2 原则

进入power down时LDO引脚的电压会从1.8V变成1.6V。
- 如果LDO电压变成1.6V才说明NANO进入了低功耗模式。
- 如果量到1.8V，则表示或者是进入低功耗的函数不对，或者进入了低功耗但是系统又被唤醒了。
不用的引脚统统设为GPIO，INPUT模式，并使能内部上拉(PUEN)
状态需要保持的引脚（保持输出低电平/高电平，或者保持输入低电平/高电平），切成GPIO功能，模式维持不变，同时不要使能内部上拉。
- 输入的引脚要特别小心，确认输入的电压是0或者VDD不能是中间的其它值，否则会漏电。如果切成输入的引脚输入的电压不确定，需要关闭数字通路(OFFD)
晶振引脚保持配置为晶振模式，即使没有外接晶振。在powerdown的时候都要设为晶振模式，并且不能打开内部上拉。但是如果外部没有接晶振，一定不能使能晶振（PWRCON），否则会漏电。
ICE_DAT和ICE_CLK脚切为GPIO功能，INPUT模式，并打开内部上拉。
外接的段式LCD屏，power down时需要保持显示的话，LCD引脚需要保持LCD模式，并关闭相应引脚的数字通路。但是如果powerdown时不需要屏继续显示，相应COM/SEG/DH1/DH2/LCD_V1/LCD/_V2/LCD_V3 引脚需要设为GPIO功能，INPUT模式，并关闭相应引脚的数字通路。
模拟外设需要软件自行将功能关闭。例如:ADC需要将ADCR寄存器的ADEN清0。并且将模拟引脚设为输入模式(PMD)，切成GPIO功能(MFP)，并关闭数字通路(OFFD)。
内部10K和外部32K，power down时不需要的话，软件应该自行关闭。
关闭片外IC的电源或者让其进入power down。与片外IC相连的MCU引脚处理原则如下
- 引脚是输出状态的，切成GPIO功能之后输出低电平。例如SPI_CS,SPI_CLK，SPI_MISO和SPI_MOSI 4根引脚，切成GPIO功能，输出模式，并输出低电平。
- 需要片外IC通过GPIO唤醒NANO的，该GPIO引脚保持输入模式不要动，也不要打开内部上拉(PUEN)。
- 如果片外IC的电源是关闭的，需要把与之相连的引脚都切成GPIO功能，并输出0
检查板子上所有接地的部分，是否有可能从电源到地形成通路。如果必须形成通路，尽量把电阻调大一点，这样漏电会小一些

1.3 NANO的行为

进入powerdown的时候，MCU会帮忙关闭HIRC（内部高频晶振）和HXT（外部高频晶振）两个高频晶振，软件不要去控制这两个晶振。外部32K和内部10K需要软件自己关闭。

这就导致使用HIRC和HXT为时钟源的外设在进入powerdown的时候会自动停止工作，但是使用外部32K或者内部10K作为时钟源的外设需由软件决定在系统进入powerdown的时候是否仍然工作。例如：系统进入powerdown的时候，RTC和WDT仍然工作，这就需要不能关闭32K和10K晶振。

但是模拟外设是个特例，因为模拟电路工作不需要时钟。所以如果模拟外设功能使能，MCU虽然将晶振关闭，但是模拟电路部分仍会耗电。例如：ADC，系统进入power down之前需要写控制寄存器ADCR->ADEN将ADC功能关闭，否则会漏电

如果进入powerdown的时候如果引脚设定有问题，NANO中每个IO脚漏电大概20uA，这也是一个线索。

1.4 漏电电路

1.4.1 电路一

该电路从VCC->R35->R11->R12->R13形成一个通路。假设VCC=3.3V，这里漏电3.3/3 = 1.1uA。

这个是LCD的驱动电路，考虑到驱动能力，加1M可能已经差不多了。大家明白这里会耗电1.1uA就OK了。

1.4.2 电路二

该电路从VCC->R1->R2形成通路，假设VCC=3.3V，这里漏电3.3/2 = 1.65uA。

该电路是测量电源电压的电路，ADCCHECK引脚接到ADC0模拟输入引脚，power down的时候需要将ADCCHECK引脚切为输入模式(PMD)，GPIO功能(MFP)，并关闭数字通路(OFFD)。解决办法：

R1和R2尽量用大一点的电阻
如果GPIO口有剩余，将VCC接GPIO，不用的时候将IO设成输入，关闭数字通路OFFD，但是不要打开内部上拉。

1.4.3 电路三

该电路从UART1_RXD->R56形成通路，假设VCC=3.3V，这里漏电3.3/1 = 3.3uA。

解决办法：powerdown时，将UART1_RXD引脚设为INPUT模式，但是不要打开内部上拉。

1.5 常见问题

打开GPIO的内部上拉，功耗反而变高
打开内部上拉，功耗降低，但是耗电仍然偏高
功耗会飘，手靠近板子，功耗会忽高忽低
Power down时，LCD和RTC保持显示，正常情况下功耗应该是10uA左右，但是测得功耗16uA
大多情况下进入power down的功耗都是正常的6uA左右，但是某次进入power down时的功耗会高达1mA

1.6 调试方法

1.6.1 打开IO口的内部上拉，功耗反而变高

说明引脚有下拉，这个下拉可能是内部也可能是外部。该引脚输出低电平时芯片内部是接地的，如果忘记将该引脚设为INPUT模式，内部就是下拉的，就会导致漏电。

外部有下拉不一定是明显的引脚加电阻接地，可能是外部芯片在输出低。

如果是MCU在输出低，power down的时候不需要输出低了，就设为INPUT并打开内部上拉。
如果需要保持输出低，该引脚就维持输出不要动它。
如果是外部芯片拉低的，该引脚就切成GPIO功能，INPUT模式，但是不要打开内部上拉。

1.6.2 打开内部上拉，功耗降低，但是耗电仍然偏高

这就要考虑两种情况

是否OFFD没有关
是否ADC没有关

OFFD没有关，如果LCD使能，就会导致漏电
ADC没有关，也会漏电

1.6.3 功耗会飘，手靠近板子，功耗会忽高忽低

这个问题的原因比较多，列出可能的3个原因

可能是晶振引脚和ICE引脚设定不正确

进入power down的时候

晶振引脚要维持晶振功能，不管外部是否有接晶振。但是不要打开内部上拉
ICE_DAT和ICE_CLK引脚要设为GPIO功能，INPUT模式，并打开内部上拉

晶振引脚可能会引起大家的迷惑，

如果不接晶振时，需要保持晶振模式，但是不能打开内部上拉。
如果晶振引脚需要作为GPIO使用，power down时，GPIO功能不再需要的，需要切成晶振功能，但是不能打开内部上拉。
如果晶振引脚需要作为GPIO使用，power down时，GPIO功能需要保持的，可以保持GPIO。

可能是晶振引脚没有接晶振但是使能了晶振(PWRCON)
- 解决办法就是将晶振使能关闭
可能是设为INPUT模式的引脚输入的电压是介于VSS和VDD之间的某个电压，导致芯片内部的MOS漏电

解决办法就是将所有IO的数字通路都关闭：OFFD =0xFFFF0000;
如果电流不再飘，说明就是有引脚输入了非预想电压
然后依次使能一些引脚的数字通路，最后就可以定位是哪些引脚需要关闭数字通路（OFFD）

1.6.4 Power down时，LCD和RTC保持显示，正常情况下功耗应该是10uA左右，但是测得功耗16uA

如果芯片内部IO口漏电，每根IO漏电20uA左右。该板子多耗电6uA，所以一般不是芯片内部漏电，这就需要查整个板子的电路，是否有电源到地的通路。1.4节列出了几种漏电的情况，大家可以参考看看。

1.6.5 大多情况下进入power down的功耗都是正常的6uA左右，但是某次进入power down时的功耗会高达1mA

发现关闭ADC功能之后这个问题不再重现，所以锁定ADC

ADC工作频率比较低的情况下，写到ADC寄存器中的数据要等2个ADC工作时钟才会起作用，所以在进入powerdown时，关闭ADC时钟之前（APBCLK），需要延迟2个ADC工作时钟。不然ADC可能还没有关闭，时钟没有了，就会漏电。

1.7 真实案例分析

1.7.1 客户板子进入power down功耗5mA，到客户端分析原因

发现客户进入低功耗时LDO的电压是1.77V，明显没有进入power down
经检查代码发现是使能了RTC唤醒
- RTC的寄存器要读/写的话需要使能ACCESS Enable寄存器，不然一些寄存器读都是不可以的。所以进入调试模式，通过TTR寄存器查看是否使能了唤醒模式是不可能的。只能查RTC相关代码
关闭RTC唤醒之后，此时功耗300uA。
处理进入power down时的IO状态
- 因为客户的板子上所有的外设在powerdown时都是断电的，所以所有跟外设相连的IO统统设为GPIO功能（MFP），并输出0。
- 系统通过PB.8唤醒，该IO设为INPUT模式(PMD)，不要使能内部上拉。
- 跟充电管理芯片相连的IO都设为INPUT模式，不使能内部上拉
- 其他没有用到的IO都设为INPUT，使能内部上拉（PUEN）
- 测量电源电压的ADC引脚切成GPIO模式，INPUT，并关闭数字通路
  
  处理IO之后功耗188uA
客户板子上有一片LDO芯片，将3.6V转成3.0V给MCU使用，拿掉该LDO之后功耗88uA
充电电路从VDD到VSS有通路，拿掉了相连的电阻，之后功耗开始飘。低的时候到5uA高的时候到20uA
- 关闭所有GPIO的数字通路OFFD，发现功耗固定在4.2uA不再飘
- 依次使能GPIO的数字通路，发现与充电管理芯片相连的2跟PB.9和PB.10的数字通路一定要关闭，不然功耗就会飘
- 测量PB.8和PB.9的波形，发现这两根引脚的电压为2.4V，会导致漏电，关闭这两根引脚的数字通路

至此，客户整个板子在进入低功耗时耗电4.2uA

1.7.2 客户的板子放一个晚上功耗飘到了100uA，到客户端分析原因

客户的板子上只有我们的NANO，功耗正常时2uA

经过分析发现客户没有外接高速晶振，但是使能了晶振（PWRCON）。将晶振关闭之后电流没有再飘。

2 示例代码

该板子外接段式LCD屏，进入power down的时候LCD和RTC要保持工作，另外外部还有一颗芯片需要PB.7输出低电平让其进入power down

2.1 进入低功耗函数

void Enter_PowerDown()

{

UNLOCKREG();

/* Back uporiginal setting */

SavePinSetting();

/*set to INPUT mode */

GPIOA->PMD = 0;

GPIOB->PMD = 0x4000;/*PB.7 OUTPUT low*/

GPIOC->PMD = 0;

GPIOD->PMD = 0;

GPIOE->PMD = 0;

GPIOF->PMD = 0;

/* Set to GPIO模式 */

GCR->PA_L_MFP = 0x00FFFF00;

GCR->PA_H_MFP = 0xFFFFFF00;

GCR->PB_L_MFP = 0x0000FF00;

GCR->PB_H_MFP = 0xFFFFFFFF;

GCR->PC_L_MFP = 0x0000FF00;

GCR->PC_H_MFP = 0x0F00FFFF;

GCR->PD_L_MFP = 0x0;

GCR->PD_H_MFP = 0x0;

GCR->PE_L_MFP = 0x0;

GCR->PE_H_MFP = 0x0;

GCR->PF_L_MFP = 0x00FF00;

/*Disable Digital path of LCD pin */

GPIOA->OFFD = 0xFC3C0000;

GPIOB->OFFD = 0xFF0C0000;

GPIOC->OFFD = 0x4F0C0000;

/* Enable GPIOpull up */

GPIOA->PUEN = 0xFFFF;

GPIOB->PUEN = 0xFF7F;/*PB.7 low*/

GPIOC->PUEN = 0xFFFF;

GPIOD->PUEN = 0xFFFF;

GPIOE->PUEN = 0xFFFF;

GPIOF->PUEN = 0x0033;/* exclude GPF2 and GPF3 which are HXT OUT/IN */

SYS_SetChipClockSrc(CLK_PWRCTL_LXT_EN, 1);

SYS_SetUpPowerDown(0); /* Disable PDWUinterrupt */

LOCKREG();

__WFI(); /* system really enter power down here ! */

}

2.2 状态保存和恢复

函数SavePinSetting();用来保存GPIO和MFP寄存器的状态，在系统唤醒之后，这些寄存器的状态需要恢复

__IO uint32_t _Pin_Setting[11]; /* store Px_H_MFP and Px_L_MFP */

__IO uint32_t _PullUp_Setting[6]; /* storeGPIOx_PUEN */

__IO uint32_t _PMD_Setting[6]; /* store GPIOx_PMD */

__IO uint32_t _OFFD_Setting[6]; /* store GPIOx_PMD */

void SavePinSetting()

{

/* SavePin selection setting */

_Pin_Setting[0]= GCR->PA_L_MFP;

_Pin_Setting[1]= GCR->PA_H_MFP;

_Pin_Setting[2]= GCR->PB_L_MFP;

_Pin_Setting[3]= GCR->PB_H_MFP;

_Pin_Setting[4]= GCR->PC_L_MFP;

_Pin_Setting[5]= GCR->PC_H_MFP;

_Pin_Setting[6]= GCR->PD_L_MFP;

_Pin_Setting[7]= GCR->PD_H_MFP;

_Pin_Setting[8]= GCR->PE_L_MFP;

_Pin_Setting[9]= GCR->PE_H_MFP;

_Pin_Setting[10]= GCR->PF_L_MFP;

/* SavePull-up setting */

_PullUp_Setting[0]= GPIOA->PUEN;

_PullUp_Setting[1]= GPIOB->PUEN;

_PullUp_Setting[2]= GPIOC->PUEN;

_PullUp_Setting[3]= GPIOD->PUEN;

_PullUp_Setting[4]= GPIOE->PUEN;

_PullUp_Setting[5]= GPIOF->PUEN;

/*Save PMD setting */

_PMD_Setting[0]= GPIOA->PMD;

_PMD_Setting[1]= GPIOB->PMD;

_PMD_Setting[2]= GPIOC->PMD;

_PMD_Setting[3]= GPIOD->PMD;

_PMD_Setting[4]= GPIOE->PMD;

_PMD_Setting[5]= GPIOF->PMD;

/*Save OFFD setting */

_OFFD_Setting[0]= GPIOA->OFFD;

_OFFD_Setting[1]= GPIOB->OFFD;

_OFFD_Setting[2]= GPIOC->OFFD;

_OFFD_Setting[3]= GPIOD->OFFD;

_OFFD_Setting[4]= GPIOE->OFFD;

_OFFD_Setting[5]= GPIOF->OFFD;

}

void RestorePinSetting()

{

/*Restore Pin selection setting */

GCR->PA_L_MFP= _Pin_Setting[0];

GCR->PA_H_MFP= _Pin_Setting[1];

GCR->PB_L_MFP= _Pin_Setting[2];

GCR->PB_H_MFP= _Pin_Setting[3];

GCR->PC_L_MFP= _Pin_Setting[4];

GCR->PC_H_MFP= _Pin_Setting[5];

GCR->PD_L_MFP= _Pin_Setting[6];

GCR->PD_H_MFP= _Pin_Setting[7];

GCR->PE_L_MFP= _Pin_Setting[8];

GCR->PE_H_MFP= _Pin_Setting[9];

GCR->PF_L_MFP= _Pin_Setting[10];

/* RestorePull-up setting */

GPIOA->PUEN= _PullUp_Setting[0];

GPIOB->PUEN= _PullUp_Setting[1];

GPIOC->PUEN= _PullUp_Setting[2];

GPIOD->PUEN= _PullUp_Setting[3];

GPIOE->PUEN= _PullUp_Setting[4];

GPIOF->PUEN= _PullUp_Setting[5];

/* RestorePMD setting */

GPIOA->PMD= _PMD_Setting[0];

GPIOB->PMD= _PMD_Setting[1];

GPIOC->PMD= _PMD_Setting[2];

GPIOD->PMD= _PMD_Setting[3];

GPIOE->PMD= _PMD_Setting[4];

GPIOF->PMD= _PMD_Setting[5];

/* RestoreOFFD setting */

GPIOA->OFFD= _OFFD_Setting[0];

GPIOB->OFFD= _OFFD_Setting[1];

GPIOC->OFFD= _OFFD_Setting[2];

GPIOD->OFFD= _OFFD_Setting[3];

GPIOE->OFFD= _OFFD_Setting[4];

GPIOF->OFFD= _OFFD_Setting[5];

}

保存和恢复的函数将所有的寄存器都保存和恢复了，如果用户确定某个寄存器不需要保存可以将相关代码拿掉，特别在SRAM不够用的时候，buffer可以定义小一点。

Revision History

Rev.

Date

Description

1.00

1-21-2014

Initially issued.

1.10

4-11-2014

添加AHBCLK和APBCLK处理

添加一些有问题原理图分析

1.12

4-25-2014

功耗飘时多添加2种肯能原因

如果量不到LDO为1.6v原因说明

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作者: 我爱下载 时间: 2014-5-5 09:16
相当不错的文档

作者: harvardx 时间: 2014-5-9 23:00
非常好正需要这样的电路

欢迎光临牛卧堂MCU技术交流 (http://www.nuvoton-mcu.com/)