STM32进入standby时功耗异常分析

• 1. 前言
• 2. 背景和现象
• 3. 分析过程
• Step-1 复现异常（追踪异常的发生场景）
• Step-2 定位与故障相关硬件（缩小排查范围）
• Step-3 尝试恢复异常（进一步摸索异常时现象）
• Step-4 软件Debug（定位问题）
• Step-5 验证想法
• 4. 分析原因
• 5. 解决方法
• 附录A：STM32进入Standby状态完整的代码

1. 前言

本文主要用于记录STM32单片机功耗异常的分析过程，直接看 分析原因 部分可以快速知道问题原因和解决方法。

2. 背景和现象

• 背景：使用STM32F031系列的单片机开发锂电池应用，在电池长时间不使用时，MCU需要进入极低功耗的Standby状态。
• 开发过程： 开发过程中没有遇到太大障碍，参考ST的官方代码，实现了Standby功能。
• 异常现象：但是在生产测试时发现，每次烧录新的程序，单片机进入Standby状态后，功耗异常。

各场景的功耗见下表：

3. 分析过程

Step-1 复现异常（追踪异常的发生场景）

拿了几块功耗正常的板子，对开发与测试的场景进行了多次测试验证，发现了以下规律：

本步骤结论：特定场景的软件下载方式，会触发这个异常。

补充说明：在这一步时，怀疑烧录软件配置选项有问题，于是把烧录上位机所有的选项都改了一遍，但是没有效果。

Step-2 定位与故障相关硬件（缩小排查范围）

之前测试的是整个板子的功耗，需要在这一步定位是板上的哪个器件引起的功耗异常。

因为在烧录后会引起这个故障，所以MCU的嫌疑最大。于是，用一块只贴有MCU及其外围器件的板子（MCU核心板）再次进行了Step-1的几项测试。测得MCU自身的功耗与Step-1测的板功耗结果很接近。看来，板子功耗异常是MCU引起的。

使用功耗正常、功耗异常的两块MCU核心板进行对比测试，用示波器量了MCU所有管脚的状态。发现在进入Standby状态后，异常功耗MCU的SWDIO-Pin为高电平，正常的为低电平。

查看ST Reference manual（RM0091），MCU进入Standby状态，PA13（SWDIO-Pin）是高阻态。
那么，Standby状态下SWIO-Pin输出为高电平应该是个异常状态。

是因为没有固定这个脚电平？
于是，做了两个验证:

• 外部下拉：在SWDIO脚加一个下拉电路到GND
• 内部下拉：MCU进入Standby状态前，将SWDIO配置为下拉输入模式

结果这两种方式都没有效果。可以认定，SWDIO的高电平，与管脚电平未固定没有关系，是SWDIO自身输出（或内部上拉到）高电平。

本步骤结论：板子功耗异常是MCU引起的，此时MCU的SWDIO脚会异常输出（或内部上拉到）高电平。

Step-3 尝试恢复异常（进一步摸索异常时现象）

继续在MCU核心板上测试，尝试恢复Standby功耗异常的MCU，试了以下几种方法：

本步骤结论：只有Power-on reset才能恢复功耗异常。

Step-4 软件Debug（定位问题）

这一步的思路是 单片机状态的差异，往往会体现在它的寄存器值上。
经过前几步的分析，得到了一些结论：

1. 烧录软件后会触发异常。
2. 异常与SWDIO-Pin状态有很大的相关性。
3. Power-on reset可以恢复异常，System reset无法恢复异常。

以上这些结论指向MCU的调试功能。于是，将排查重点放到调试相关的寄存器上。
查看ST Reference manual（RM0091）对DBG寄存器的描述（下图），发现：

• DBG相关的寄存器可以在调试/烧录时被Debugger所配置，这一点与结论1吻合。
• DBG相关的寄存器只在Power-on reset时恢复默认值，这一点与结论3吻合。
  
  使用Eclipse+J-Link调试功耗异常的MCU核心板，读取DBG相关的寄存器，其中DBGMCU-CR寄存器的DBG_STANDBY位为1。
  

查看ST Reference manual（RM0091）对该位的描述（下图）。DBG_STANDBY位为1时，进入Standby模式，HCLK不会停止，而是转换为内部RC电路（内部低速晶振）作为时钟源继续运行。所以就会在异常的Standby状态下处于 比正常工作模式低，比常规standby模式高的功耗。

又拿了个standby模式下功耗正常的MCU核心板测了下，它的DBG_STANDBY位为0。看来很可能是这个原因。

Step-5 验证想法

在代码中增加主动将DBG_STANDBY清0的动作，放在进入Standby之前。

SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_DBGMCUEN);
CLEAR_BIT(DBGMCU->CR, DBGMCU_CR_DBG_STANDBY);

补充说明：这里需要注意，因为DBG也是外设的一种，操作DBG寄存器前要使能其外设时钟。

将这个程序使用Step-1中的几种方式烧录到MCU中，Standby功耗都正常。
本步骤结论：DBG_STANDBY位在烧录时被Debugger配置为1，使得MCU进入Standby功耗异常。

4. 分析原因

通过以上几个步骤的排查，再结合Step-1的测试，发现与烧录上位机STM32 ST-Link Utility的设置有关。
其中有一项配置“Enable debug in low power mode”，如果勾选了。再连接MCU，点击“connect”后，会将MCU的DBG_STANDBY位写1，且在烧录完成、断开连接后不会清除。

又进行了4项测试：

结论：

• 使用STM32 ST-Link Utility烧录，如果在设置中勾选了“Enable debug in low power mode”，MCU进入Standby功耗会异常。
• 如果对功耗正常的板子不勾选“Enable debug in low power mode”进行烧录，MCU进入Standby功耗正常。
• 功耗异常的MCU无法通过不勾选“Enable debug in low power mode”再次烧录的方式恢复。

5. 解决方法

参考ST Reference manual（RM0091）， 如果MCU进入Standby功耗异常，以下三种方式可以恢复：

1. 使用Debugger将DBG_STANDBY清0
2. 在代码中添加了进入Standby关闭DBG_STANDBY语句，重新烧录程序（参考代码见附录）
3. 将MCU断电，Power-on reset后恢复正常功耗

附录A：STM32进入Standby状态完整的代码

下面是STM32进入Standby模式的常规代码

void Bsp_Enter_Standby(void)
{
    
    PWR->CSR |= PWR_CSR_EWUP1;

    
    PWR->CR |= PWR_CR_CWUF;                             
    PWR->CR |= PWR_CR_CSBF;                             
    PWR->CR |= PWR_CR_PDDS;                             
    SCB->SCR |= SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk;
    __WFI();                                            

    
}

下面是添加关闭DBG_STANDBY的代码

void Bsp_Enter_Standby(void)
{
    
    PWR->CSR |= PWR_CSR_EWUP1;

#if (!defined(DEBUG) || !defined(USE_DBG_STANDBY))
    
    SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_DBGMCUEN);
    CLEAR_BIT(DBGMCU->CR, DBGMCU_CR_DBG_STANDBY);
#endif

    
    PWR->CR |= PWR_CR_CWUF;                             
    PWR->CR |= PWR_CR_CSBF;                             
    PWR->CR |= PWR_CR_PDDS;                             
    SCB->SCR |= SCB_SCR_SLEEPDEEP_Msk;
    __WFI();                                            

    
}