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type: source
source: "尚硅谷嵌入式技术之STM32单片机（扩展篇）V1.0.0 — 第1章：电源控制 + 配套代码15~20"
author: "尚硅谷研究院"
date: 2026-07-16
created: 2026-07-15
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# 电源管理与低功耗模式

> **用生活理解**：STM32 有多种低功耗模式就像你家里的电器——**运行模式**是所有电器全开（费电），**睡眠模式**是关灯但空调继续开（CPU 停，外设继续），**停止模式**是只留冰箱（维持寄存器），**待机模式**是拉总闸（只剩下 Vbat 供 RTC）。越省电的模式唤醒越慢。

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## 电源框图

STM32 的电源系统分为多个供电区域：

| 区域 | 电压 | 供电对象 | 特点 |
|------|------|---------|------|
| **VDD 区域** | 3.3V | I/O 电路、待机电路、电压调节器 | 数字部分主电源 |
| **VDDA 区域** | 3.3V | ADC、温度传感器、复位模块、PLL | 模拟部分独立电源（去耦更好） |
| **1.8V 区域** | 1.8V | CPU 内核、SRAM、内部数字外设 | 由电压调节器从 3.3V 降压得到 |
| **备份区域 (VBAT)** | 3.3V/电池 | RTC、LSE 振荡器、BKP 寄存器、PC13~15 | VDD 断电时由 VBAT 维持 |

> **参考**：参考手册 §5（电源控制 PWR 寄存器）、原理图电源部分
> **参考**：AMS1117 数据手册（板上 5V→3.3V LDO）

### 电压调节器

电压调节器将 VDD(3.3V) 转换为内核所需的 1.8V，有 3 种工作模式：

| 调节器模式 | 输出状态 | 对应的 MCU 模式 |
|-----------|---------|----------------|
| **运转模式 (MR)** | 正常输出 1.8V | 运行/睡眠 |
| **停止模式 (LPR)** | 低功耗输出 1.8V（电流小） | 停止 |
| **待机模式** | 关闭（无输出） | 待机（内核掉电） |

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## 上电复位（POR）与掉电复位（PDR）

内部复位电路监控 VDD/VDDA 电压：

```
电压升高到 VPOR(~1.8V) → 解除复位 → MCU 启动
电压下降到 VPDR(~1.5V) → 进入复位 → MCU 停止
```

两者之间有 **40mV 的迟滞**，防止电压在阈值附近抖动时频繁复位。

> **参考**：参考手册 §5.2（上电/掉电复位特性）

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## 可编程电压检测器（PVD）

PVD（Programmable Voltage Detector）监控 VDD 电压，当电压低于可编程阈值时，可以产生 **中断**（不是复位）。

| PVD 阈值选择 (PLS[2:0]) | 阈值电压 |
|------------------------|---------|
| 000 | 2.2V |
| 001 | 2.3V |
| 010 | 2.4V |
| 011 | 2.5V |
| 100 | 2.6V |
| 101 | 2.7V |
| 110 | 2.8V |
| 111 | 2.9V |

```c
// PVD 配置示例：阈值 2.7V，下降沿中断
PWR->CR |= PWR_CR_PLS_2 | PWR_CR_PLS_1;   // PLS[2:0]=110 → 2.8V
PWR->CR |= PWR_CR_PVDE;                    // PVDE=1 使能PVD
// PVD 中断: EXTI16 线
EXTI->RTSR &= ~EXTI_RTSR_TR16;             // 下降沿触发（电压下降）
EXTI->FTSR |= EXTI_FTSR_TR16;
EXTI->IMR |= EXTI_IMR_MR16;
NVIC_EnableIRQ(PVD_IRQn);

// PVD 中断处理
void PVD_IRQHandler(void)
{
    if (EXTI->PR & EXTI_PR_PR16)
    {
        SaveEmergencyData();
        EXTI->PR |= EXTI_PR_PR16;
    }
}
```

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## 三种低功耗模式对比

| 特性 | **睡眠 (Sleep)** | **停止 (Stop)** | **待机 (Standby)** |
|------|----------------|----------------|--------------------|
| **CPU 内核** | 停止 | 停止 | **断电** |
| **SRAM/寄存器** | 保持 | **保持** | **丢失** |
| **备份域** | 保持 | 保持 | 保持 |
| **电压调节器** | 运转模式 | **低功耗模式** | **关闭** |
| **典型功耗** | ~10mA | ~30μA | **~2μA** |
| **唤醒源** | 任意中断/事件 | EXTI 中断 | RTC 闹钟、WKUP 引脚、NRST |
| **唤醒时间** | ~0.9μs | ~5μs | ~50ms（需重新初始化） |

### 睡眠模式（Sleep）

CPU 停止，外设继续工作。任何中断或事件都能唤醒。

**进入方式**：
```c
__WFI();          // 等待中断唤醒
__WFE();          // 等待事件唤醒
```

**SLEEP-NOW vs SLEEP-ON-EXIT**：
```c
SCB->SCR &= ~SCB_SCR_SLEEPONEXIT_Msk;  // SLEEPDEEP=0, SLEEPONEXIT=0
// SLEEP-NOW: 执行 WFI 立即进睡眠

SCB->SCR |= SCB_SCR_SLEEPONEXIT_Msk;    // SLEEPONEXIT=1
// SLEEP-ON-EXIT: 执行 WFI → 最低优先级 ISR 退出后进睡眠
```

### 停止模式（Stop）

CPU + 所有外设时钟都停止，但 **SRAM 和寄存器内容保留**。电压调节器切到低功耗模式。

```c
void enter_stop_mode(void)
{
    SCB->SCR |= SCB_SCR_SLEEPDEEP;    // 深度睡眠
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_PWREN;
    PWR->CR &= ~PWR_CR_PDDS;          // PDDS=0 表示停止模式
    PWR->CR |= PWR_CR_LPDS;           // 电压调节器低功耗模式
    __WFI();
}
```

**唤醒后**：触发 EXTI 中断后，系统从停止模式恢复，执行 ISR。

### 待机模式（Standby）

最省电模式。1.8V 内核域完全断电（SRAM 和寄存器内容丢失），仅备份域（VBAT）和待机电路保持。

```c
void enter_standby_mode(void)
{
    SCB->SCR |= SCB_SCR_SLEEPDEEP;    // 深度睡眠
    PWR->CR |= PWR_CR_PDDS;           // PDDS=1 表示待机模式
    PWR->CSR |= PWR_CSR_EWUP;         // 使能 PA0 唤醒功能
    __WFI();
}
// 唤醒后相当于系统复位！从 startup 重新执行。
```

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## 实验：睡眠/停止/待机模式

所有 6 个项目均来自 `stm32/15~20_lowpower_xxx`，覆盖寄存器版和 HAL 库版三种低功耗模式。

### 睡眠模式（Sleep）

**项目 `15_lowpower_sleep_register`（寄存器版）**

**文件：`stm32/15_lowpower_sleep_register/User/main.c`**

```c
#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include "led.h"

void enter_sleep_mode(void);

int main(void)
{
    USART_Init();
    LED_Init();

    printf("尚硅谷低功耗实验：睡眠模式...\n");

    LED_On(LED1);
    Delay_s(2);

    while (1)
    {
        printf("正常运行执行完毕，3s后进入睡眠模式...\n");
        Delay_s(3);
        printf("进入睡眠模式");
        enter_sleep_mode();

        printf("从睡眠模式唤醒...\n");
        Delay_s(2);
    }
}

void enter_sleep_mode(void)
{
    // SLEEP-NOW: SLEEPDEEP=0, 执行 WFI
    SCB->SCR &= ~SCB_SCR_SLEEPDEEP;
    __WFI();
}
```

**项目 `16_lowpower_sleep_hal`（HAL 库版）**

**文件：`stm32/16_lowpower_sleep_hal/Core/Src/main.c`**

```c
#include "main.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"

uint8_t ch;

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART1_UART_Init();

    printf("尚硅谷低功耗实验：睡眠模式...\n");

    HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_Delay(2000);

    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &ch, 1);

    while (1)
    {
        printf("正常运行执行完毕，3s后进入睡眠模式...\n");
        HAL_Delay(3000);
        printf("进入睡眠模式\n");

        HAL_SuspendTick();                             // 暂停 Systick
        HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON,
                               PWR_SLEEPENTRY_WFI);   // 进睡眠
        HAL_ResumeTick();                              // 恢复 Systick

        printf("从睡眠模式唤醒...\n");
        HAL_Delay(2000);
    }
}

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart->Instance == USART1)
    {
        printf("%c", ch);
        HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &ch, 1);
    }
}
```

### 停止模式（Stop）

**项目 `17_lowpower_stop_register`（寄存器版）**

**文件：`stm32/17_lowpower_stop_register/User/main.c`**

```c
#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include "led.h"
#include "key.h"

void enter_stop_mode(void);
void get_clock_freq(uint32_t *sys_clock, uint32_t *AHB_clock,
                    uint32_t *APB2_clock, uint32_t *APB1_clock);

int main(void)
{
    USART_Init();
    LED_Init();
    Key_Init();

    printf("尚硅谷低功耗实验：停止模式...\n");

    LED_On(LED_2);
    Delay_s(2);

    while (1)
    {
        printf("正常运行执行完毕，3s后进入停止模式...\n");
        Delay_s(3);
        printf("进入停止模式...\n");
        Delay_ms(1);
        enter_stop_mode();

        uint32_t sys_clock, ahb_clock, apb1_clock, apb2_clock;
        get_clock_freq(&sys_clock, &ahb_clock, &apb2_clock, &apb1_clock);

        // 停止模式唤醒后 HSE/PLL 已关闭，需重新配置时钟
        SystemInit();

        printf("唤醒前的时钟频率：\nsys_clock = %d, ahb_clock = %d, ...\n\n",
                sys_clock, ahb_clock, apb1_clock, apb2_clock);

        get_clock_freq(&sys_clock, &ahb_clock, &apb2_clock, &apb1_clock);
        printf("唤醒后的时钟频率：\nsys_clock = %d, ahb_clock = %d, ...\n\n",
                sys_clock, ahb_clock, apb1_clock, apb2_clock);

        printf("从停止模式唤醒...\n");
        Delay_s(2);
    }
}

void enter_stop_mode(void)
{
    SCB->SCR |= SCB_SCR_SLEEPDEEP;
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_PWREN;
    PWR->CR &= ~PWR_CR_PDDS;       // 停止模式
    PWR->CR |= PWR_CR_LPDS;        // 低功耗调节器
    __WFI();
}

void get_clock_freq(uint32_t *sys_clock, uint32_t *AHB_clock,
                    uint32_t *APB2_clock, uint32_t *APB1_clock)
{
    uint32_t clock_src = RCC->CFGR & RCC_CFGR_SWS;
    if (clock_src == RCC_CFGR_SWS_HSE)
        *sys_clock = HSE_VALUE;
    else if (clock_src == RCC_CFGR_SWS_HSI)
        *sys_clock = HSI_VALUE;
    else if (clock_src == RCC_CFGR_SWS_PLL)
    {
        uint32_t mul = ((RCC->CFGR & RCC_CFGR_PLLMULL) >> 18) + 2;
        *sys_clock = HSE_VALUE * mul;
    }

    uint32_t hpre = (RCC->CFGR & RCC_CFGR_HPRE) >> 4;
    if (hpre & 0x8)
    {
        uint32_t n = hpre & 0x7;
        *AHB_clock = (n < 4) ? (*sys_clock >> (n+1)) : (*sys_clock >> (n+2));
    }
    else *AHB_clock = *sys_clock;

    uint32_t ppre1 = (RCC->CFGR & RCC_CFGR_PPRE1) >> 8;
    *APB1_clock = (ppre1 & 0x4) ? (*AHB_clock >> ((ppre1 & 0x3) + 1)) : *AHB_clock;

    uint32_t ppre2 = (RCC->CFGR & RCC_CFGR_PPRE2) >> 11;
    *APB2_clock = (ppre2 & 0x4) ? (*AHB_clock >> ((ppre2 & 0x3) + 1)) : *AHB_clock;
}
```

**项目 `18_lowpower_stop_hal`（HAL 库版）**

**文件：`stm32/18_lowpower_stop_hal/Core/Src/main.c`**

```c
#include "main.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"

uint8_t ch;

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART1_UART_Init();

    printf("尚硅谷低功耗实验：停止模式...\n");

    HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_Delay(2000);

    while (1)
    {
        printf("正常运行执行完毕，3s后进入停止模式...\n");
        HAL_Delay(3000);
        printf("进入停止模式...\n");

        // HAL 停止模式：低功耗调节器 + WFI 进入
        HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI);

        // 唤醒后需重新配置系统时钟
        SystemClock_Config();

        printf("从停止模式唤醒...\n");
        HAL_Delay(2000);
    }
}

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart->Instance == USART1)
    {
        printf("%c", ch);
        HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &ch, 1);
    }
}
```

### 待机模式（Standby）

**项目 `19_lowpower_standby_register`（寄存器版）**

**文件：`stm32/19_lowpower_standby_register/User/main.c`**

```c
#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include "led.h"
#include "key.h"

void enter_standby_mode(void);

int main(void)
{
    USART_Init();
    LED_Init();
    Key_Init();

    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_PWREN;

    if (PWR->CSR & PWR_CSR_SBF)
    {
        printf("从待机模式唤醒：\n");
        PWR->CR |= PWR_CR_CSBF;
    }
    if (PWR->CSR & PWR_CSR_WUF)
    {
        printf("产生了唤醒事件：\n");
        PWR->CR |= PWR_CR_CWUF;
    }

    printf("尚硅谷低功耗实验：待机模式...\n");

    LED_On(LED_2);
    Delay_s(2);

    while (1)
    {
        printf("正常运行执行完毕，3s后进入待机模式...\n");
        Delay_s(3);
        printf("进入待机模式，按下KEY唤醒...\n");
        Delay_ms(1);
        enter_standby_mode();

        printf("从待机模式唤醒...\n");
        Delay_s(2);
    }
}

void enter_standby_mode(void)
{
    SCB->SCR |= SCB_SCR_SLEEPDEEP;
    PWR->CR |= PWR_CR_PDDS;           // 待机模式
    PWR->CSR |= PWR_CSR_EWUP;         // 使能 PA0 唤醒
    __WFI();
}
```

**项目 `20_lowpower_standby_hal`（HAL 库版）**

**文件：`stm32/20_lowpower_standby_hal/Core/Src/main.c`**

```c
#include "main.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"

uint8_t ch;

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_USART1_UART_Init();

    // 检测唤醒标志
    if (__HAL_PWR_GET_FLAG(PWR_FLAG_SB))
    {
        printf("从待机模式唤醒：\n");
        __HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_SB);
    }
    if (__HAL_PWR_GET_FLAG(PWR_FLAG_WU))
    {
        printf("产生了唤醒事件：\n");
        __HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_WU);
    }

    printf("尚硅谷低功耗实验：待机模式...\n");

    HAL_GPIO_WritePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_Delay(2000);

    while (1)
    {
        printf("正常运行执行完毕，3s后进入待机模式...\n");
        HAL_Delay(3000);
        printf("进入待机模式，按下KEY唤醒...\n");

        // 使能 PA0 唤醒引脚
        HAL_PWR_EnableWakeUpPin(PWR_WAKEUP_PIN1);

        // 进入待机模式（唤醒后相当于复位）
        HAL_PWR_EnterSTANDBYMode();

        printf("从待机模式唤醒...\n");
        HAL_Delay(2000);
    }
}

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart->Instance == USART1)
    {
        printf("%c", ch);
        HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &ch, 1);
    }
}
```

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## 核心速查表

| 操作 | 寄存器操作 | HAL 库函数 |
|------|----------|-----------|
| 进入睡眠 | `SCB->SCR &= ~SLEEPDEEP;` + `__WFI()` | `HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI)` |
| 进入停止 | `SLEEPDEEP=1` + `PDDS=0` + `LPDS=1` + `__WFI()` | `HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI)` |
| 进入待机 | `SLEEPDEEP=1` + `PDDS=1` + `EWUP=1` + `__WFI()` | `HAL_PWR_EnterSTANDBYMode()` |
| 使能 PA0 唤醒 | `PWR->CSR |= PWR_CSR_EWUP` | `HAL_PWR_EnableWakeUpPin(PWR_WAKEUP_PIN1)` |
| 配置 PVD | `PWR->CR` 配置 PLS + PVDE + EXTI16 | `HAL_PWR_ConfigPVD()` |
| 清除唤醒标志 | `PWR->CR |= PWR_CR_CSBF/CWUF` | `__HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_SB/WU)` |
| 检测待机唤醒 | `PWR->CSR & PWR_CSR_SBF` | `__HAL_PWR_GET_FLAG(PWR_FLAG_SB)` |
| 暂停/恢复 Systick | — | `HAL_SuspendTick()` / `HAL_ResumeTick()` |

## 常见问题与避坑

1. **停止模式功耗高** → 检查所有 GPIO 是否关闭上下拉、所有外设时钟是否关闭（`RCC->APBxENR=0`）
2. **无法唤醒** → 检查 EXTI 配置（必须配置为事件或中断）、NVIC 优先级
3. **待机后 GPIO 输出乱** → 待机模式 GPIO 复位为默认浮空输入，恢复后需重新初始化
4. **待机模式功耗还是很高** → 检查 VBAT 引脚是否接 VDD、WKUP 引脚是否有漏电路径
5. **多次进出停止模式后异常** → 检查唤醒标志是否清除（PWR.CSR.WUF）
6. **HAL 睡眠必须暂停 Systick** → `HAL_SuspendTick()` / `HAL_ResumeTick()` 配对使用，否则 SysTick 中断会立即唤醒
7. **停止模式唤醒后时钟异常** → 唤醒后 HSE/PLL 已关闭，需调用 `SystemInit()` 或 `HAL_RCC_ClockConfig()` 重新配置