STM32 低消費電力モード
完全ガイド｜バッテリー駆動を
年単位で実現する設計ノウハウ

はじめに：バッテリー駆動 IoT の設計課題

「コイン電池で5年動くセンサーノードを作ってほしい」「単三電池2本で10年保つLPWAN端末を量産したい」——こうした要件は、IoT 案件ではもはや珍しくありません。ハードウェア選定の段階で 低消費電力マイコンの選択肢として真っ先に挙がるのが STMicroelectronics の STM32L シリーズ です。

なかでも STM32L4 / L4+ は ARM Cortex-M4F コアを搭載しながら超低消費電力モードを多段に持ち、性能と省電力のバランスに優れることから世界中で採用されています。さらに最新の STM32U5（Cortex-M33）は LPBAM（Low-Power Background Autonomous Mode）で DMA さえも Stop モード中に自律動作させられる進化を遂げています。

ただし STM32L4 の電力モードは 7段階（Run / LP Run / Sleep / LP Sleep / Stop 0/1/2 / Standby / Shutdown）あり、各モードで動作するペリフェラル・ウェイクアップ手段・メモリ保持有無が異なります。「とりあえず Stop モードに入れた」程度の実装ではコイン電池駆動でも数日でバッテリが尽きてしまうことも珍しくありません。

本記事では STM32L4 シリーズを主軸に、ST 公式のアプリケーションノート（AN4621・AN4746・AN4899 ほか）とリファレンスマニュアル（RM0351）をもとに、年単位のバッテリー駆動を実現する設計ノウハウを体系的に解説します。基礎となる UART/I2C/SPI 通信や DMA 活用は、当ブログの以下記事も併せてご覧ください。

• STM32マイコンのUART・I2C・SPI・CAN通信 実装ガイド
• STM32 DMA 完全ガイド｜UART・SPI・ADC との連携
• STM32 + FreeRTOS 入門

STM32L4 の7つの電力モード階層

STM32L4 / L4+ は、用途と消費電流のトレードオフに応じて 7 つの低消費電力モードを選択できます。^{(出典: AN4621 §1, §2 / RM0351 §5 PWR)}

選び方の指針

• Run / Sleep：高速処理が必要な能動的な区間。Sleep は CPU だけ止まりペリフェラル・DMA は継続動作
• Low-Power Run / LP Sleep：通信や演算を SYSCLK ≤2 MHz で粘りたい時。レギュレータが低消費版に切り替わる
• Stop 0 / 1 / 2：センサー測定間の長い待機。RAM とレジスタを保持するため、復帰時にプログラム状態が継続できる
• Standby：RTC で次回起動を待つ運用。原則リセット起動（SRAM2 は RRS=1 で 32 KB だけ保持可）
• Shutdown：最も低消費。BOR/IWDG/LSI まで停止する代わりに、復帰は POR と同等

モード別の代表的な消費電流（参考値）

STM32L4 系の代表値オーダー（VDD、温度、クロックなど条件で大きく変動）を以下に示します。実設計には必ず該当品種のデータシート（DS10198 等）の Table 17 「modes overview」を参照 してください。

※ 上表は STM32L432・L476 などの公式データシートと STMicroelectronics の "STM32L4 System Power Control" トレーニング資料を参照した オーダー感把握用の参考値 です。VDD、温度、SRAM 保持有無、ペリフェラル状態で大きく変わるため、最終設計値は最新データシートの Table 17 を必ずご確認ください。

HAL API 早見表とコード例

STM32CubeMX が生成する HAL ライブラリで使う低消費電力 API を、最も使う順にまとめます。^{(出典: STM32CubeL4 stm32l4xx_hal_pwr.c / stm32l4xx_hal_pwr_ex.c)}

Stop 2 → RTC で 10 秒後にウェイクアップ（典型パターン）

/* main.c：初期化後にこの関数を呼ぶ */
void EnterStop2_With_RtcWakeup_10s(void)
{
    /* SysTick が起こす割り込みで Stop に入れない事故を防ぐ */
    HAL_SuspendTick();

    /* RTC Wakeup Timer：LSE/16 = 2048Hz をベースに 10秒 ≒ 20480 カウント */
    HAL_RTCEx_DeactivateWakeUpTimer(&hrtc);
    HAL_RTCEx_SetWakeUpTimer_IT(&hrtc, 20480, RTC_WAKEUPCLOCK_RTCCLK_DIV16);

    /* Stop 2 に入る（復帰要因は WFI、RTC IT で起きる） */
    HAL_PWREx_EnterSTOP2Mode(PWR_STOPENTRY_WFI);

    /* ----------------- ここからウェイクアップ後 ----------------- */

    /* Stop から戻ると SYSCLK は MSI（典型 4 MHz）になっている。
       必要なら SystemClock_Config() を呼んで PLL を復帰させる */
    SystemClock_Config();

    HAL_ResumeTick();
}

/* RTC Wakeup 割り込みコールバック（HAL が呼ぶ） */
void HAL_RTCEx_WakeUpTimerEventCallback(RTC_HandleTypeDef *hrtc)
{
    /* 必要に応じてフラグセット。基本は空でも問題なし */
}

Standby → WKUP1 (PA0) と RTC アラームで復帰

void EnterStandby_With_WakeupPin_And_RtcAlarm(void)
{
    /* WKUP フラグを必ずクリア（残っていると即時復帰する） */
    __HAL_PWR_CLEAR_FLAG(PWR_FLAG_WU);

    /* WKUP1 (PA0) を High エッジで有効化 */
    HAL_PWR_EnableWakeUpPin(PWR_WAKEUP_PIN1_HIGH);

    /* RTC アラーム A も併用（例：日次起動） */
    /* RTC_AlarmTypeDef alarm = {...}; HAL_RTC_SetAlarm_IT(...) */

    /* SRAM2 を保持したい場合はここで RRS ビットを立てる */
    /* HAL_PWREx_EnableSRAM2ContentRetention(); */

    HAL_PWR_EnterSTANDBYMode();
    /* ここに戻ってくることは無い。次回起動は POR 相当（リセット） */
}

ウェイクアップ手段の選び方

低消費電力モードからどの手段で起きるかは、システム要件で決まります。下表は STM32L4 で利用可能な主要なウェイクアップ要因と、各モードでの対応状況をまとめたものです。^{(出典: AN4621 §4 "Wake-up sources" / RM0351 §5.4)}

WKUP ピンの割り当て（STM32L4 系）

WKUP は最大 5 本（WKUP1～WKUP5）。代表的なピン割り当てを以下に示しますが、品種により WKUP3/WKUP5 のピン番号が異なるため、必ず該当品種データシートの Pinout 表で確認してください。^{(出典: AN4621 §4.4 / RM0351 §5.4.3 / DS10198 Table 16 など)}

• WKUP1：PA0
• WKUP2：PC13
• WKUP3：PE6 または PA1（品種依存）
• WKUP4：PA2
• WKUP5：PC5

低消費電力ペリフェラル（LPUART / LPTIM / RTC）

STM32L4 は 「Low-Power」プレフィックスを持つ専用ペリフェラルで、Stop モード中もメインクロックなしで動作できます。バッテリー駆動設計の主役です。

LPUART：Stop モード中の通信受信待機

LPUART は HSI16 または LSE クロックで動作可能な UART で、Stop 0/1/2 のいずれでも受信ウェイクアップが可能です。^{(出典: RM0351 §38 LPUART / STM32CubeL4 LPUART_WakeUpFromStop 例)}

• LSE（32.768 kHz）駆動時は 最大 9600 bps 程度まで
• HSI16 駆動時は最大 高速通信可（ただし Stop からウェイクアップ目的なら省電力のため LSE を選ぶことも多い）
• Stop モードに入る前に HAL_UARTEx_EnableStopMode(&hlpuart1) を呼ぶ必要あり
• ウェイクアップ要因は「アドレスマッチ」「スタートビット検出」「Read Data Register Not Empty」から選択

/* LPUART を Stop ウェイクアップ用に有効化 */
HAL_UARTEx_EnableStopMode(&hlpuart1);

/* スタートビット検出でウェイクアップする設定（HAL_UARTEx_WakeUpType を使う） */
UART_WakeUpTypeDef wake_cfg = { .WakeUpEvent = UART_WAKEUP_ON_STARTBIT };
HAL_UARTEx_StopModeWakeUpSourceConfig(&hlpuart1, wake_cfg);

/* Stop 1 に入る（LPUART RX で復帰可能） */
HAL_PWREx_EnterSTOP1Mode(PWR_STOPENTRY_WFI);

LPTIM：Stop モード中の周期タイマー

LPTIM は LSE（32.768 kHz）駆動で Stop モード中も自律的にカウントし、周期割り込みで CPU を起こせます。RTC より細かい周期（ms オーダー）が必要な場合の選択肢です。^{(出典: AN4865 "LPTIM applicative use cases")}

/* LPTIM1 を LSE 駆動、1秒周期で割り込み */
HAL_LPTIM_TimeOut_Start_IT(&hlptim1,
    32768,   /* Period: 32768 = 1秒 (LSE 32.768kHz) */
    32767);  /* Pulse: タイムアウト後トグル */

/* Stop 2 に入る（LPTIM IT で復帰） */
HAL_PWREx_EnterSTOP2Mode(PWR_STOPENTRY_WFI);

/* コールバック */
void HAL_LPTIM_CompareMatchCallback(LPTIM_HandleTypeDef *hlptim)
{
    /* 周期処理 */
}

RTC + VBAT：完全停電時もカレンダーを維持

RTC（リアルタイムクロック）は LSE クロック + バックアップドメインで動作し、VBAT 端子にコイン電池を接続することで VDD が完全に落ちてもカレンダーとバックアップレジスタを維持 できます。^{(出典: AN4759 "RTC and TAMP" / RM0351 §38 RTC)}

• VBAT 端子：典型的には CR2032 / CR1632 のコイン電池を接続。VDD 喪失時にバックアップドメインだけが VBAT から給電される
• バックアップレジスタ：STM32L4 系は 32 × 32-bit（BKP0R - BKP31R、計 128 バイト）。電源断後も VBAT 動作中は保持
• LSE：VBAT で動作可能 → Shutdown でも RTC 継続
• LSI：VBAT では動作しない → Shutdown では止まる
• Wakeup Timer：16 bit カウンタ。ck_spre(1Hz) 基準では約 18 時間、WUCKSEL の拡張ビット（実質 17 bit）を使うと最長約 36 時間まで指定可能

バッテリー寿命を伸ばす実装の落とし穴 6選

低消費電力の数値スペックを満たしても、実装の細部が原因で「カタログ値の 10 倍消費している」という事態は珍しくありません。ST 公式 AN や現場で繰り返し見る典型ポイントを 6 つ整理します。

1. 未使用 GPIO のアナログ入力化

STM32 の GPIO はデフォルトの「Floating Input」だとシュミットトリガが微妙な電圧で発振し、リーク電流の原因になります。未使用ピンはすべて Mode=Analog, Pull=NoPull に設定してください。STM32CubeMX には「Set unused GPIOs as analog」オプションがあります。^{(出典: AN4899 §6.1 "GPIO settings for low-power")}

2. デバッガ接続時は Stop / Standby から復帰できない（ように見える）

デバッグ中は DBGMCU_CR レジスタの DBG_STOP / DBG_STANDBY ビットがセットされ、クロックが維持されてしまいます。これにより実機の消費電流が測れないうえ、デバッガ切断後と挙動が変わります。実消費の検証時は、必ずデバッガを外し、フラッシュ書き込み後の cold boot で測定してください。^{(出典: RM0351 §47 DBG / community.st.com 多数)}

3. SysTick が STOP 移行を妨害する

HAL のタイムベースが SysTick の場合、移行直前に SysTick 割り込みがペンディングしていると Stop モードに入れず即時復帰してしまいます。次のいずれかで対処します。^{(出典: STM32CubeL4 examples / 国内技術ブログでも頻出)}

• Stop に入る直前に HAL_SuspendTick()、復帰後に HAL_ResumeTick()
• または STM32CubeMX の SYS タブで Timebase Source を TIM6 等の汎用タイマーに変更（FreeRTOS 併用時はそもそも変更が必要）

4. Sleep / LP Sleep 中のフラッシュ Power-down

Sleep モード中でもフラッシュは Active のままで微小に電力を消費します。SYSCLK を 2 MHz 以下に落としたうえで __HAL_FLASH_SLEEP_POWERDOWN_ENABLE() を呼ぶと、フラッシュをパワーダウンさせて更に消費を削減できます。復帰時間が長くなる代償があるため、応答時間要件と照らして判断してください。^{(出典: RM0351 §3.3.7 / AN4621 §4.2)}

5. VREFINT・BOR・PVD の常時 ON によるリーク

内蔵リファレンス電圧 (VREFINT)、ブラウンアウトリセット (BOR)、プログラマブル電圧検出 (PVD) はいずれも微小ながら消費します。使わないなら確実に OFF にします。BOR は Standby 移行時に Ultra-Low-Power BOR モード（ULPMEN）に切り替えて消費を抑えるオプションもあります。^{(出典: RM0351 §5.1.2 PWR / community.st.com)}

/* VREFINT を Stop モードで OFF */
HAL_PWREx_DisableVREFINTInStopMode();

/* Standby 中の BOR を超低消費モードに */
HAL_PWREx_EnableUltraLowPowerMode();

6. ペリフェラル CLK enable の残し

使い終わったペリフェラル（USART、SPI、ADC、DMA など）のクロックを __HAL_RCC_xxx_CLK_DISABLE() で確実に切ること。クロックが入っていると Stop モードでも微小リークが残り、複数ペリフェラル分が積み上がって µA 単位の差を生みます。^{(出典: AN4746 §4 / AN4621 §4)}

バッテリー寿命の試算（CR2032 でのセンサーノード例）

具体的な計算例として、コイン電池 CR2032（公称 230 mAh、3.0V） で温湿度センサーノードを動作させる場合を考えます。^{(出典: AN4746 §5 "Application use case" を参考に独自試算)}

基本式（duty cycle 法）

平均消費電流 I_avg = (I_active × t_active + I_sleep × t_sleep) / (t_active + t_sleep)
動作可能時間 [h] = 電池容量 [mAh] × デレーティング係数 / I_avg [mA]

ケース 1：1 分周期でセンサー読み + 無線送信

• Active：センサー読み出し + 送信処理を 1 秒で完了 → 15 mA × 1 s
• Sleep：Stop 2 で待機 → 1.5 µA × 59 s

I_avg = (15 × 1 + 0.0015 × 59) / 60
      ≒ 0.252 mA
動作時間 = 230 mAh / 0.252 mA ≒ 913 h ≒ 38 日

ケース 2：1 時間周期に間引いた場合

• Active：同じ 15 mA × 1 s
• Sleep：Stop 2 で 3599 秒待機

I_avg = (15 × 1 + 0.0015 × 3599) / 3600
      ≒ 5.67 µA
動作時間 = 230 mAh / 0.00567 mA ≒ 40,600 h ≒ 4.6 年

ST 公式サイトには 「STM32 Real-Time Clock Battery Life Calculator」 など、簡易計算ツールも公開されています。設計初期はこうしたツールでオーダー感を掴み、最終評価は必ず実機実測で確認してください。

発展編：STM32U5 / WL / WB の進化

STM32L4 をベースに、用途に応じてより新しいシリーズを選ぶケースが増えています。

STM32U5（Cortex-M33、最新フラッグシップ）

• 4段階の電圧 Range（最大 160 MHz）。L4 の 2 Range より細かく性能/消費を最適化可能
• Stop 3 が新設され、Stop 系の最低消費電力モードが追加
• LPBAM（Low-Power Background Autonomous Mode）：Stop 中も DMA + ペリフェラルが自律動作してデータ収集可能。CPU を起こさずセンサー連続サンプリングが実現できる L4 にない最大の進化点 ^{(出典: AN5645 / AN5652)}

STM32WL（LoRa 一体型、Cortex-M4 + M0+）

• サブ GHz Radio がチップ内蔵。CPU が Stop に入っていても Radio は独立動作可能
• LPWAN 端末（LoRaWAN/Sigfox）でコイン電池 5 年動作が現実的に ^{(出典: AN5568)}

STM32WB（BLE 5、Cortex-M4 + M0+）

• BLE スタックは M0+ コアが処理。M4 はアプリケーション専用に
• SMPS（スイッチング電源）を内蔵し、送信時の消費電流を最小化 ^{(出典: AN5246 "Usage of SMPS")}

シリーズ選定のクイックガイド

• 有線 IoT・低コスト：STM32L0 / L1（M0+/M3）または STM32L4（M4F）
• 性能・セキュリティ重視：STM32U5（M33 + TrustZone）
• BLE 内蔵：STM32WB（BLE 5）
• LoRa / Sub-GHz：STM32WL

公式リソース・参考文献

本記事執筆にあたり参照した ST 公式ドキュメントです。実設計では必ず最新版をご参照ください。

STM32L4 ターゲットの主要 Application Note

• AN4621 – STM32L4 and STM32L4+ ultra-low-power features overview
  st.com → AN4621 PDF
• AN4746 – How to optimize power and performance on STM32L4 and STM32L4+ MCUs
  st.com → AN4746 PDF
• AN4555 – Getting started with STM32L4 series hardware development
  st.com → AN4555 PDF
• AN4759 – Introduction to using the RTC and TAMP for STM32 MCUs
  st.com → AN4759 PDF
• AN4865 – How to use Low-power timer (LPTIM) on STM32 MCUs
  st.com → AN4865 PDF
• AN4899 – STM32 GPIO hardware settings and low-power consumption
  st.com → AN4899 PDF

Reference Manual / Datasheet

• RM0351 – STM32L47/L48/L49/L4A reference manual
  st.com → RM0351 PDF
• RM0394 – STM32L41/L42/L43/L44/L45/L46 reference manual
  st.com → RM0394 PDF
• RM0432 – STM32L4+ series reference manual
  st.com → RM0432 PDF
• DS10198 – STM32L476 datasheet (消費電流テーブル Table 17 を含む)
  st.com → DS10198 PDF

L5 / U5 / WB / WL の Application Note

• AN5213 – STM32L5 ultra-low-power features overview
• AN5652 – STM32U5 power optimization
• AN5645 – STM32U5 LPBAM (Low-Power Background Autonomous Mode)
• AN5568 – STM32WL ultra-low-power features
• AN5246 – STM32WB SMPS usage

Wiki / Training / コミュニティ

• ST Wiki – PWR feature overview
• STM32L4 System Power Training (英語)
• STM32L4 システム電力制御 (日本語)
• STM32CubeL4 公式サンプル（GitHub）
• stmcu.jp – Standby と Shutdown モードの違い

まとめ

STM32 を使った低消費電力 IoT 端末・バッテリー駆動センサーノードの設計でお困りのことがあれば、弊社にお気軽にご相談ください。STM32L4 / U5 系を含めた組込み開発実績をもとに、要件定義から回路設計・ファームウェア実装・実機消費電流評価まで一貫してサポートします。

よくある質問（FAQ）