STM32F103 电源、备用电池与 ADC 参考电压

学习教程更新于 2026-10-03编辑本文

理解 STM32 的供电，应先区分数字电源、模拟电源、备用电源和 ADC 参考电压。本页以 STM32F103xF/xG，尤其 STM32F103VGT6 为主要例子；其他 F103 容量等级和封装必须使用各自的数据手册。不能把某张 144 引脚原理图的脚号套到 LQFP100 芯片上。

1. 五组引脚分别供给什么

引脚	作用	接线原则
VDD / VSS	数字 I/O 和内部调压器的主电源/地	全部电源脚都必须接好并就近去耦，不是任接一对即可。
VDDA / VSSA	模拟电源/地；关系到 ADC、内部模拟功能等	按手册接至 VDD/VSS，可按推荐电路滤波；不因“没有用 ADC”就悬空。
VBAT	VDD 失效时给备份域供电	可接备用电源；没有备用电池时按官方建议接 VDD，并就近旁路。
VREF+ / VREF−	ADC 转换范围的正/负参考	有独立引脚时 VREF− 接 VSSA，VREF+ 接合适基准或 VDDA。
ADCx_INn	被转换的模拟信号输入	信号电压、源阻抗、采样时间和保护条件都要满足 ADC 要求。

VREFINT 是芯片内部参考通道，与外部的 VREF+ 引脚不是同一节点。也不能把外部 VREF± 列成所有复位、PVD、比较器和校准功能的统一供电源。F103 是否具备 DAC、其参考关系和限制，需看准确料号，不能从同系列某一款推广。

正常工作范围与绝对最大额定值

以下来自 F103xF/xG 数据手册 DS16554 的相应工作条件，不是全体 STM32 的通用规格：

项目	相关范围/条件
VDD 正常工作	2.0–3.6 V；同时满足温度、频率等条件。
VBAT 正常工作	1.8–3.6 V。
使用 ADC 时的 VDDA	2.4–3.6 V，见 ADC 特性表。
使用 ADC 时的 VREF+	2.4 V 至 VDDA；VREF−/VSSA 接地。
ADC 转换输入	0 至 VREF+；器件耐压和注入电流限制另外核对。

绝对最大额定值表出现的 4.0 V 表示器件损伤边界的一部分，不是允许长期工作在 4 V 的建议。正常工作、绝对最大额定值与测量精度条件是三种不同约束。DS16554

2. 去耦与参考引脚取决于封装

AN2586 说明，100/144 引脚封装可提供独立 VREF±；64 引脚及更少的相关封装中，参考内部连接到 VDDA/VSSA。因此：

STM32F103VGT6 的 V 表示本例的 100 引脚封装，可查其独立参考脚。
STM32F103RET6 是 64 引脚例子，不能凭另一款原理图寻找独立 VREF±。
焊盘编号、可用外设、每组电源脚数量以完整订货型号和封装表为准。

数字电源通常采用各 VDD 附近的局部小电容和板级储能电容。模拟电源和参考也需各自的短回流路径。仅在原理图画了电容、却放得很远或经细长回路接地，不能等效于就近去耦。

历史资料中的“11×100 nF + 4.7 µF、4.7 µF 接近 VDD3”属于相应多引脚供电示例，不是所有封装固定使用 11 个电容。DS16554 老版 ADC 图给出 10 nF + 1 µF，而 AN2586 Rev8 的相关模拟供电建议使用 100 nF + 1 µF；应核对所用器件最新有效手册、频率特性和 PCB 布局，不能把不同图拼成唯一标准。

同一老数据手册个别 ADC 图脚注把独立 VREF 写成“仅 100 引脚”，与其引脚表及 AN2586 的 100/144 引脚说明不一致。本页采用完整引脚表和 AN2586 的封装说明，避免复制该处脚注。

3. VBAT、备用电池与内部切换

VDD 正常时，备份域由主电源供电；VDD 下降到规定条件时，内部电路切换到 VBAT。VBAT 维持的是备份寄存器、RTC 和 LSE 等受支持部分，不会让 CPU、普通 SRAM 和全部 GPIO 继续运行。

无备用电池

VDD ───────── VBAT
                │
              100 nF
                │
               GND

电容是 VBAT 对地的旁路，不是串联在 VDD 与 VBAT 之间。这样的电路在主电源全部掉电后没有独立储能来源，不能承诺长期保存时间。

独立备用电源

备用电池可按手册接至 VBAT，并检查电压、极性、漏电、温度和主电源建立时的条件。RM0008 还说明了特定上电条件下的注入电流及低压降隔离二极管需求；应按实际电池是否可充电、允许电流和电源时序检查，不默认纽扣电池可承受充电。

历史板图还采用外部双二极管 OR：

3.3 V ──|>|──┐
              ├── VBAT ── 100 nF ── GND
电池  ──|>|──┘

两只二极管的阴极汇合在 VBAT，较高的一路经二极管供电；它不是“电池通过 100 nF 接 VDD”。原图的 1N4148 会产生与电流、温度有关的压降，必须核算最差情况下 VBAT 是否仍满足范围，并检查反向漏电。该外部 OR 不是所有 STM32F103 电路必需的连接。

局部开发板图出现 VBAT=6、NRST=25、VREF+=32、VREF−=31、VDDA=33，属于对应 144 引脚示例，不能用来给 VGT6 的 LQFP100 布线。与之配套的无电池图，VBAT 经右侧电源母线连接 3.3 V；下方电容地线并没有接入 VBAT。

备份域复用、PC13 和防篡改输入见 PC13、RTC 与备份域。

4. ADC 的码值、参考与量化

设分辨率为 $N$ 位，参考跨度为

V_{\mathrm{span}}=V_{\mathrm{REF+}}-V_{\mathrm{REF-}}, \qquad q=\frac{V_{\mathrm{span}}}{2^N}.

$q$ 是理想量化步长。12 位 ADC 有 $2^{12}=4096$ 个量化级，输出整数范围为 0–4095。

用“区间左端编码”解释量化时，可写成教学模型：

k=\operatorname{clip}\left( \left\lfloor\frac{V_{\mathrm{in}}-V_{\mathrm{REF-}}}{q}\right\rfloor, 0,2^N-1\right).

于是码 $k$ 大致代表一个宽度为 $q$ 的输入区间，采用区间中点估计时

\widehat V_{\mathrm{in}} =V_{\mathrm{REF-}}+(k+\tfrac12)q.

这是说明分辨率与量化不确定度的模型，不是宣称实际 F103 每一个转换门限完全等于该式。真实 ADC 还存在偏移、增益、积分/微分非线性和噪声。

常见程序使用 $V\approx kV_{\mathrm{REF+}}/4095$ ，把 0 和 4095 映射到两个端点。这是一种端点换算约定，不应据此说 12 位 ADC 只有 4095 级。若 VREF+=3.3 V、VREF−=0，则一步约为 0.806 mV；中点 1.65 V 的码值约为 2048，而不是固定的 2047。

为什么参考误差会影响结果

在其他误差暂时忽略时，码值主要由输入与参考的比值决定：

k\approx 2^N\frac{V_{\mathrm{in}}}{V_{\mathrm{REF+}}}.

使用错误的参考值换算电压，会引入比例误差。若传感器输出与同一电源成比例，则采用同源参考的比率测量可能抵消一部分电源变化；因此“参考接 VDDA 必然差、超过 10 位 ENOB 必须外部基准”都不是通用结论。应从目标误差、噪声、温漂、参考负载、传感器类型和布局计算预算。

5. 输入源阻抗与采样建立

VAIN 是被转换的信号电压；RAIN 表示外部源阻抗，不能简单解释成“必须串联的一只保护电阻”。ADC 的采样开关和采样电容只在采样窗口内取得电荷：

信号源 ── 源阻抗/串联电阻 ── ADC 输入 ── 内部采样开关 ── 采样电容

在简化一阶模型中，剩余建立误差满足

|e(t)|=|\Delta V|e^{-t/\tau}, \qquad \tau\approx(R_{\mathrm{source}}+R_{\mathrm{switch}})C_{\mathrm{sample}}.

若从满量程阶跃出发，希望残差小于半 LSB，则理想模型要求

t_s\ge (N+1)\ln 2\,\tau.

实际选值应使用数据手册的 RAIN 公式/采样周期表，并考虑输入电容、通道切换、外部 RC 与驱动放大器。DS16554 的 RAIN 最大值不是在所有采样时间下都能取 50 kΩ；最短采样时间对源阻抗要求更严格。

外部 RC 的正确位置

信号源 ── R ──┬── ADC 输入
              C
              │
             GND

忽略 ADC 动态负载且源阻抗很低时，该拓扑的截止频率为

f_c=\frac{1}{2\pi RC}.

R=1 kΩ、C=100 nF 时， $f_c\approx1.59$ kHz。电容如果接在串联电阻的信号源一侧，就不能把这两者直接看作上图的 ADC 输入低通。滤波电容还会影响建立和通道切换；该数值不保证适合任意采样率，也不自动构成充分的抗混叠滤波或过压保护。

6. 从原理图到验证

依次核对完整料号/封装、电源范围、所有电源脚、参考接法、VBAT掉电条件、ADC输入范围、源阻抗与采样时间。随后在实际板上测量供电建立、纹波和 ADC 输入，分别测试已知直流值、通道切换及目标带宽。

本页将原来的 10 张电源/ADC 截图转成了有型号限制的文字、公式和接线图；数值推导已做软件计算核对。未给当前实物板上电，也未验证整板供电、PCB 回流或 ADC 实测精度。

依据

DS16554：STM32F103xF/xG，引脚表、电源条件与 ADC 特性。
AN2586：STM32F10xxx 硬件设计入门，第2章电源与参考。
RM0008，电源控制、备份域与 ADC。