STM32F101xxT6中VBAT 管腳上的怪現象

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問題:
問題由某 UPS 製造公司提出。其工程師在某型號新產品的設計中,使用了 STM32 器件,型號爲:STM32F101xxT6。在其設計中,STM32 有兩路供電,其中一路的電壓爲 3.3V,爲 VDD 及VDDA供電,而另外一路的電壓爲 3.0V,爲 VBAT 供電。兩路供電都是由同一個畜電池的輸出電壓,分別經過各自的電壓轉換電路處理而得到的。其中,3.3V 供電由電源開關控制,而 3.0V供電則爲常通,其電路如圖1所示:


                                                圖1

據其工程師反映,電路的 VBAT 節點處的電壓在第一次接通畜電池時並不是 3.0V,而是700mV 左右。而打開電源開關,提供另一路 3.3V 供電後,該節點的電壓跳變到 3.0V。而後,無論有無 3.3V 供電,該節點的電壓都能維持在 3.0V。如圖2所示:

                                                                         圖2

這一現象對產品的各項功能沒有影響,但其工程師想了解其中緣由,杜絕隱患。


調研:
對圖1所示電路的開路電壓、短路電流、輸出電阻及輸出端 RC 常數進行計算:

                                                                                 圖3


於是,圖1的電路可以用圖4的電路來等效:

                                                                               圖4

結論:
由圖4可見,該電路存在兩點問題:

1.  過大的輸出電阻(543K) ,使得該電路沒有足夠的驅動能力帶動負載;
2.  過大的輸出電容(56uF) ,使得該電路的輸出電壓上升緩慢(30.4S) ,不利於 MCU產生上電覆位,同時,也會造成在 VDD 上電時從VBAT 送出的衝擊電流過大;

由於以上兩點原因,VBAT 沒有成功的完成上電過程,而 STM32 的後備域電路也沒有被複位,而是停留在某種紊亂的狀態。在這種狀態下,VBAT 的輸入電流較大,使得VBAT節點處的電壓無法繼續升高。當 VDD 上電時,VDD 會通過芯片內部電路,從 VBAT 引腳送出一個瞬間的衝擊電流,這一電流幫助 VBAT 節點的電壓迅速升高,從而完成 VBAT的上電過程。於是,芯片的後備域電路被複位,VBAT 的輸入電流下降到了正常的工作


電流。從而,既便 VDD 被關掉,VBAT 也能維持在正常的工作電壓,保證後備域電路能夠正常工作。這一過程正是前面所描述的現象。

處理:

1.  調整分壓電阻的參數,使輸出電阻降爲 100K;
2.  將 56uF 電容換成 0.1uF電容;

建議:
雖然在 STM32 的數據手冊中給出了 VBAT 的工作電流的參數,即:小於 1uA,但是其中並未給出在後備域電路被複位之前,VBAT 的輸入電流是多少。根據經驗,這時需要電源提供的 20uA 以上的電流,才能保障後備域電路上電覆位過程順利的完成。另外,在STM32 的參考手冊中,講述了在 VDD 上電的時候,會有瞬時的衝擊電流從 VBAT管腳送出,但沒有明確的說明該電流有多大。因此,在設計 VBAT 的供電電路時,有關該電路的輸出電阻的設計,要從兩方面考慮:

1. 不能太大。如果太大,則不能滿足在 VBAT 上電的過程中,VBAT 的輸入電流對電源
的帶負載能力的要求;
2. 不能太小。如果太小,則不能有效的限制 VDD上電時從 VBAT 管腳送出的衝擊電流,
從而損傷芯片或後備電池;

一般來說,該參數可選在 50K - 100K 之間。同樣,考慮到會有衝擊電流從 VBAT 管腳送出,因而輸出電容的參數也不宜過大。STM32 的數據手冊中給出的推薦值是 0.1uF。


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