STM32L4R5 Nucleo低功耗例程测试验证

ahuaahua

有幸在年初的答题中，获得Nucleo STM32L4R5ZI板一块。正所谓吃别人的嘴软，免费拿人家的……必须要发个评测弘扬一下ST大法好～～～但是板子寄到手时已接近春节，年后回来放浪至今才有时间拿出来玩，不知道还能不能参加评测奖励？

L4 Plus主打图形、低功耗，以及高主频、大Flash、和帅气的Ram，还有加密等等一系列特性（具体见手册），由于时间关系，本次先对最重要的低功耗特性进行验证。

1、原理验证

            根据Nucleo 144的原理图，MCU主要由两个地方提供电源：VDD和VDD_MCU。其中，VDD提供给IO、模拟、USB等部分。VDD_MCU则提供给VBAT，并通过SB167选择提供给模拟部分。详见下图：

1.1  VDD来源：

经过JP6选择电源后，由U6降压为3.3V，经VDD提供给MCU。VDD前的JP5（IDD），即为板子提供的电流测试点。详见下图：

1.2  VDD_MCU来源：

            由下图可知，VDD_MCU由VDD产生，产生的方式根据Nucleo板子是否带有SMPS功能（就是外部的开关电源）决定。本次到手的板子，是不带这个功能的，保持原样即可。如果有同学收到带“-P”版本的板子，需要注意这个问题，必要时修改对应的连接。

1.3  由以上原理分析可知：

            只要在JP5跳线帽上测试电流，就可以大概知道MCU的功耗情况。为什么要说大概？因为还有一个器件也使用VDD_MCU，它就是U14：

            追求极致的同学们可以详细查SN74LVC2T45的资料，在此我就不累赘了。

2  测试方法

2.1  必须再歌颂一次ST大法好

在STM32CubeL4库里，已经有对应的低功耗Example例程，直接编译下载到板子上即可测试。

            在用户的目录下，STM32Cube\Repository\STM32Cube_FW_L4_V1.11.0\Projects\NUCLEO-L4R5ZI\Examples\PWR\PWR_ModesSelection里，可以找到一个关于这个工程的readme.txt的文件：

1. - PWR/PWR_ModesSelection/Inc/stm32l4xx_conf.h         HAL Configuration file
   
2.   - PWR/PWR_ModesSelection/Inc/stm32l4xx_it.h           Header for stm32l4xx_it.c
   
3.   - PWR/PWR_ModesSelection/Inc/main.h                   Header file for main.c
   
4.   - PWR/PWR_ModesSelection/Src/system_stm32l4xx.c       STM32L4xx system clock configuration file
   
5.   - PWR/PWR_ModesSelection/Src/stm32l4xx_it.c           Interrupt handlers
   
6.   - PWR/PWR_ModesSelection/Src/main.c                   Main program
   
7.   - PWR/PWR_ModesSelection/Src/lprun_test.c             Low Power RUN mode test
   
8.   - PWR/PWR_ModesSelection/Src/lpsleep_test.c           Low Power SLEEP mode test
   
9.   - PWR/PWR_ModesSelection/Src/run_range1_test.c        RUN mode in range 1 test
   
10.   - PWR/PWR_ModesSelection/Src/run_range2_test.c        RUN mode in range 2 test
    
11.   - PWR/PWR_ModesSelection/Src/shutdown_test.c          SHUTDOWN mode test
    
12.   - PWR/PWR_ModesSelection/Src/sleep_range1_test.c      SLEEP mode in range 1 test
    
13.   - PWR/PWR_ModesSelection/Src/sleep_range2_test.c      SLEEP mode in range 2 test
    
14.   - PWR/PWR_ModesSelection/Src/standby_rtc_sram2_test.c STANDBY mode with RTC and SRAM2 preserved test
    
15.   - PWR/PWR_ModesSelection/Src/standby_rtc_test.c       STANDBY mode with RTC test
    
16.   - PWR/PWR_ModesSelection/Src/standby_test.c           STANDBY mode test
    
17.   - PWR/PWR_ModesSelection/Src/stop1_mroff_rtc_test.c   STOP1 mode with RTC but Regulator OFF test
    
18.   - PWR/PWR_ModesSelection/Src/stop1_mroff_test.c       STOP1 mode with Regulator OFF  test
    
19.   - PWR/PWR_ModesSelection/Src/stop2_rtc_test.c         STOP2 mode with RTC test
    
20.   - PWR/PWR_ModesSelection/Src/stop2_test.c             STOP2 mode test
    

复制代码

2.2  简单抽其中几个，看看这些模式究竟做了什么：

1. void test_lprun_2mhz(void)
   
2.   {
   
3.   printf("\n\r Executing test (LPRUN 2MHz - with FLASH ART ON) \n\r");
   
4.   printf(" Please measure current then use Reset button to select another test \n\r");
   
5. 
   
6.   /* Set all GPIO in analog state to reduce power consumption */
   
7.   GPIO_AnalogState_Config();
   
8.   
   
9.   /* Set the System clock to 2 MHz (MSI) */
   
10.   SystemClock_2MHz();
    
11.   
    
12.   /* Suspend Tick increment to prevent wakeup by Systick interrupt.         */
    
13.   /* Otherwise the Systick interrupt will wake up the device within 1ms     */
    
14.   /* (HAL time base).                                                       */
    
15.   HAL_SuspendTick();
    
16. 
    
17. #ifdef USE_STM32L4XX_NUCLEO
    
18.   /* Disable USART2 clock */
    
19.   __HAL_RCC_USART2_CLK_DISABLE();
    
20. #elif USE_STM32L4XX_NUCLEO_144
    
21.   /* Disable LPUART1 clock */
    
22.   __HAL_RCC_LPUART1_CLK_DISABLE();
    
23. #endif
    
24.   
    
25.   /* Enable Power Clock */
    
26.   __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
    
27.   
    
28.   /* Enter LP RUN mode */
    
29.   HAL_PWREx_EnableLowPowerRunMode();
    
30. 
    
31.   /* Disable Power Clock */
    
32.   __HAL_RCC_PWR_CLK_DISABLE();
    
33.   
    
34.   while1Aligned64();
    
35.   
    
36. }
    

复制代码

很简单的几步：

1、把IO口都设为模拟；

2、更改时钟；

3、停掉Systick和串口；

4、打开电源时钟；

5、使能一下LP RUN；

6、关闭电源时钟；

7、死循环。

1. void test_run_range1_80mhz(void)
   
2.   {
   
3.   printf("\n\r Executing test (RUN Range 1, 80MHz - with FLASH ART ON) \n\r");
   
4.   printf(" Please measure current then use Reset button to select another test \n\r");
   
5. 
   
6.   /* Set all GPIO in analog state to reduce power consumption */
   
7.   GPIO_AnalogState_Config();
   
8.   
   
9. #ifdef USE_STM32L4XX_NUCLEO
   
10.   /* Disable USART2 clock */
    
11.   __HAL_RCC_USART2_CLK_DISABLE();
    
12. #elif USE_STM32L4XX_NUCLEO_144
    
13.   /* Disable LPUART1 clock */
    
14.   __HAL_RCC_LPUART1_CLK_DISABLE();
    
15. #endif
    
16.   
    
17.   /* Set System clock to 80 MHz (MSI) */
    
18.   SystemClock_80MHz();
    
19.   
    
20.   /* Suspend Tick increment to prevent wakeup by Systick interrupt.         */
    
21.   /* Otherwise the Systick interrupt will wake up the device within 1ms     */
    
22.   /* (HAL time base).                                                       */
    
23.   HAL_SuspendTick();
    
24.   
    
25.   while1Aligned64();
    
26.   
    
27. }
    

复制代码

更为简单的几步：

1、把IO口都设为模拟；

2、关掉串口；

3、更改时钟；

4、停掉Systick；

5、死循环。

1. void test_stop2(void)
   
2. {
   
3.   printf("\n\r Executing test (STOP2) \n\r");
   
4.   printf(" Please measure current then use Reset button to select another test \n\r");
   
5. 
   
6.   /* Set all GPIO in analog state to reduce power consumption */
   
7.   GPIO_AnalogState_Config();
   
8.   
   
9.   /* Enable Power Clock */
   
10.   __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
    
11.   
    
12.   /* Enter STOP 2 mode */
    
13.   HAL_PWREx_EnterSTOP2Mode(PWR_STOPENTRY_WFI);
    
14.   
    
15. }

复制代码

还可以更简单的几步：

1、把IO口都设为模拟；

2、关掉电源时钟；

3，发一个WFI指令。

2.4 这里需要补充啰嗦几句：

2.4.1、把IO设为模拟，这只是在测试中，排除外部干扰，使测试数据“单纯”一些的使用方法。实际产品一般不会这么用，因为这样会降低产品的抗干扰能力，比如EMI。

2.4.2、这里的测试，都没有使用外部HSE时钟，全部使用MSI（RC振荡产生）。在实际产品中，不使用外部晶振的情况比较少，而外部晶振所需要的电流，对测试的影响还是较大的。

2.4.3、由于Nucleo板的设置，VBAT是直连VDD_MCU和VDD的，所以测试并不能完全反映MCU在VDD断开，且VBAT在电池供电下的情况。

3、测试

            既然方法都知道了，撸起袖子动手干吧。由于财力有限（求土豪赞助，求高大上的老板收留），拿出手的只有一个比对过、精度相对较好的4位半万用表，结果如下：

No.	Desc.	Curr. (mA)
0	SHUTDOWN	0.0000-0.0001
1	STANDBY	0.0001-0.0002
2	STANDBY  + RTC	0.0007
3	STANDBY  + RTC + SRAM2	0.0012
4	STOP2	0.0027
5	STOP2   + RTC	0.0033
6	STOP1   + MR OFF	0.0727
7	STOP1   + MR OFF + RTC	0.0731
8	LPSLEEP  2MHz - FLASH OFF	0.171
9	LPRUN   2MHz - with FLASH ART ON	0.517
10	SLEEP  Range 2, 24MHz - with FLASH ART ON	0.852
11	SLEEP  Range 1, 80MHz - with FLASH ART ON	2.803
12	RUN   Range 2, 24MHz - with FLASH ART ON	2.920
13	RUN   Range 1, 80MHz - with FLASH ART ON	11.249

3.1测试结果的看法：

3.1.1、在STANDBY状态中，反正都停下来了，能不用SRAM就别用，功耗增加近1倍，尽量用备份域保存数据。

3.1.2、STOP1和STOP2的功耗区别是明显的。

3.1.3、如果要RUN，且没什么性能要求，LP RUN是很好的选择。但是要注意外设的处理。

3.1.4、仪表所限，电流较低的几个测试已接近仪表的极限和误差，仅作参考。

3.2  题不是白答的，板子不是白拿的，测试不是白做的。

清楚记得，L4R5是可以跑120MHz的，这个测试只是跑到了80MHz（也就是前任L4的速度，不知是故意为之，还是忘了修改），还没显示出这个测试中MCU，最高主频的状态。

重要的事情要说第三遍了：ST大法真的好！修改时钟这种事，小手一抖，简单得不得了！

3.2.1打开最新的CubeMX，选择NucleoL4R5ZI板子，Do NOT初始化默认外设设置（因为会打开很多功能），直接进去，看时钟配置：

3.2.2选择时钟源为MSI，PLLCLK，在HCLK输入120，然后就自动算出PLLM1的N为60，R为2。然后生成代码。

3.2.3 为了偷懒，直接修改测试13。对比一下生成的代码以及测试13的代码：

CubeMX生成的代码：

1. RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_MSI;
   
2.   RCC_OscInitStruct.MSIState = RCC_MSI_ON;
   
3.   RCC_OscInitStruct.MSICalibrationValue = 0;
   
4.   RCC_OscInitStruct.MSIClockRange = RCC_MSIRANGE_6;
   
5.   RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
   
6.   RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_MSI;
   
7.   RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 60;
   
8.   RCC_OscInitStruct.PLL.PLLR = RCC_PLLR_DIV2;
   

复制代码

测试13的代码：

1. RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_MSI;
   
2. RCC_OscInitStruct.MSIState = RCC_MSI_ON;
   
3. RCC_OscInitStruct.MSIClockRange = RCC_MSIRANGE_6;
   
4. RCC_OscInitStruct.MSICalibrationValue = RCC_MSICALIBRATION_DEFAULT; //这个宏的值是0
   
5. RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
   
6. RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_MSI;
   
7. RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 1;
   
8. RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 40;
   
9. RCC_OscInitStruct.PLL.PLLR = 2;
   

复制代码

由此可见，直接把测试13的RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN，改成60即可。

修改代码后，再跑一次测试，结果是：

No.	Desc.	Curr. (mA)
14	RUN   Range 1, 120MHz - with FLASH ART ON	16.61

好了，测试到此就结束了。

按照测试的结果计算，3.3V的电源下，MCU在全速的时候功率约为55mW，还是相当不错滴。

最后，尽管是ST大法好，还是要吐槽一下：CubeMX的功率估算，L4R5的数据还没更新（只能到80MHz）。作为当前主推的产品，请注意细节～

感谢观看，请丢给我小红花。

zero99

不错的文章，学习下 ，已汇总到
https://www.stmcu.org.cn/module/forum/thread-614299-1-1.html

接下来也会汇总到3月的技术原创中~

sky_han

使用内部MSI測試功耗，参考意义不大，因为实际项目会使用外部晶振，外部晶振开启会增加0.4ma功耗