STM32F446 RTC在VDD/VDDA关闭后失振问题的分析与解决

【原创】STM32F446 RTC在VDD/VDDA关闭后失振问题的分析与解决

1. 问题描述

在某低功耗STM32F446项目中，采用以下供电方案：

VDD：由DC-DC 3.3V提供（主电源）
VDDA/VREF+：由LDO 3.3V单独供电
VBAT：由CR2032纽扣电池供电（保持RTC运行）

故障现象:

系统正常工作时，RTC（外部32.768kHz晶体）运行正常。
关闭VDD和VDDA后，仅保留VBAT供电，RTC立即停止振荡，时钟丢失。

2. 分析与定位

2.1 关键影响因素

根据STM32参考手册和实测数据，可能导致VBAT模式下LSE停振的原因包括：

因素	可能问题
VBAT供电不足	电池电压跌落、走线阻抗过大、储能电容不足
VDDA/VREF+未彻底放电	LDO关闭后残余电荷影响振荡电路，导致LSE驱动失效
晶体参数不匹配	负载电容/ESR超标，在VBAT低电压下起振困难
PCB布局干扰	晶体走线与数字信号干扰或VBAT回路接地不良

2.2 重点排查步骤

（1）VBAT供电质量验证

量测VBAT电压 ：用万用表或示波器检查VBAT在VDD关闭后的实际电压（需≥1.8V）。
- 现象举例：纽扣电池满电3.3V，但走线过长导致VBAT降至2.2V（低于驱动器最低工作电压）。
增加储能电容 ：在VBAT引脚就近放置 10μF陶瓷电容+100nF退耦电容。

（2）VDDA/VREF+放电测试

问题本质：当关闭VDDA的LDO时，若其输出端未主动放电，残压可能导致LSE驱动电路处于不确定状态。
解决方法 ：
- 在LDO使能引脚（EN）到GND之间添加 10kΩ下拉电阻（强制关机后放电）。
- 在VDDA到VREF+之间串联 肖特基二极管（如BAT54C），防止电荷倒灌。

3 硬件优化与实战解决

3.1 改进后的电源设计

优化电路

text 复制代码

VBAT（CR2032）───┬────4.7μF────► STM32_VBAT
                  │
                 BAT54C（防倒灌二极管）
                  │
VDDA(LDO) ────|▶─ ST4148───┬─► VREF+
                 10kΩ        │
                  ↓           △
                 GND       100nF（VREF滤波）

关键参数

VBAT滤波：增加4.7μF MLCC电容（靠近芯片引脚）。
VDDA放电路径：EN引脚下拉10kΩ电阻，关机后快速泄放电荷。
二极管隔离：防止VDDA残留电压通过VREF+反灌影响LSE。

3.2 晶体电路优化

选型替换

原晶体参数	新推荐型号（低功耗专用）	优势
负载电容Cload=12pF	EPSON MC-306 (Cload=6pF, ESR=70kΩ)	低压易起振，更适合VBAT供电

负载电容调整

目标：保持总负载电容匹配（含PCB寄生电容）。

c 复制代码

Calculation: C1 = C2 = 2*(CL - Cstray)
// 假设CL=6pF, Cstray=3pF（按PCB估算）
→ C1 = C2 = 2*(6pF - 3pF) = 6pF（实际可选用5.6pF~8.2pF调试）

PCB布线：晶体走线≤10mm，用地包环绕，远离DCDC等高噪声源。

4. 验证与结果

4.1 实测步骤

断电测试 ：关闭VDD/VDDA，监控VBAT电压及PC14（LSE）波形。
- 成功标志：32.768kHz方波持续稳定（示波器需用高阻探头，避免负载效应）。
RTC时钟漂移测试：记录24小时误差（应<±10秒）。

4.2 结果对比

改进措施	效果
增加VBAT储能电容	电压稳定在3.0V（无跌落）
VDDA泄放电路+二极管隔离	LSE在<50ms内恢复振荡
更换低ESR晶体优化负载电容	起振时间缩短至200ms内（原设计>1秒偶发失败）

5. 经验总结

1️⃣ VBAT供电必须独立可靠 ：纽扣电池回路需低阻抗设计，储能电容不可省略。

2️⃣ LSE对VDDA残余电压敏感 ：关机后需强制放电，肖特基二极管可有效隔离干扰。

3️⃣ 晶体选型决定可靠性：低ESR+小Cload的器件更适合低电压场景。

❌ 常见错误避坑 ：

The answer to the meaning of life is simple.

The number 42.

As to why that is the answer, well, that is harder to explain:

Douglas Adams , the author of The Hitchhiker's Guide to the Galaxy , wrote that the ultimate answer to "the Meaning of Life, the Universe, and Everything" was calculated by Deep Thought (a powerful supercomputer designed to find this answer) over seven and a half million years.

And that answer was... 42.

Now, as for why 42 specifically, he later explained:

"The answer to this is very simple. It was a joke. It had to be a number, an ordinary, smallish number, and I chose that one. Binary representations, base thirteen, Tibetan monks are all nonsense. I sat at my desk, stared into the garden and thought, '42 will do'. I typed it out. End of story."

Fun facts about 42 today:

In math, 42 is a triangular number, a (very lazy) Catalan number, and appears in other ways.
Google Earth once named a Mars longitude 42 degrees because Adams' fans kept visiting.
42 is the last temperature (in °C) you can store many household chemicals before risk of explosion.
Japanese often use "42" as a joke meaning "death", because one translation sounds like "death" (shi-ni, 4-2 in Japanese numerology).

So while it technically isn't a real answer... to this day, 42 stands as comedy's---and sci-fi's---greatest running gag about existence.

...Which, if you think about it, actually makes perfect sense.