基于STM32单片机的电源设计

发布时间:2024-02-03  

1. STM32 数据手册电源部分研读

RTC电源管脚为V BAT, 电源范围为1.8~3.6V,主要用于RTC时钟的供电, RTC在大部分场合用于保存一些重要的参数,比如在电脑主板上用于保存boss的信息, 如果这个电源丢了将导致无法重启,在单片机中低功耗设备常常也会使用这个RTC进行定时的唤醒功能,在普通的MCU中常用于做实时时钟。

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VDD为数字电源,电源范围也是1.8~3.6V,在芯片内部集成了电压转化器,一般芯片内核供电为1.2V,图示的Regulator为转换器,将VDD电源稳压至1.2V。数据手册建议加入11个100nF和4.7uF的电容,不过实际应用中,只需要每个VDD加入一个100nF的去耦电容。

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下图为模拟电源部分,V_DDA的电源用于芯片模拟器件,PLL锁相环等供电,还用于ADC和DAC模数数模转化器供电,图示的VREF为ADC和DAC的参考电压,在一些常用的设计中,可将这个参考电源直接与VREF相连接,但是在一些微弱信号的模拟电路中,建议接一个电压基准芯片,以确保参考电压的稳定。数据手册建议VDDA加入一个10nF和1uF的电容, 在这我们使用10uF+100nF的电容,而VREF也是建议使用10nF+1uF,我们还是采用10uF+100nF。

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2. TYPE-C电路设计

为了方便供电,我们使用6P的type-c接口,6Pin的type-c只能用于供电,故我们核心板就不作为USB进行通讯了。

2.1 USB外壳管脚的处理

连接器的金属外壳是会经常触摸的, 然而手经常会有静电(ESD),而静电为高压大电流,不能直接连接至板子的GND,否则会烧坏板子,需要在外壳和板GND之间接一个大电阻(一般为1M)进行隔离。那可以不接吗?不接也是不行的, 因为板子上会有噪声和干扰,这些都是要泄放到大地的,但是在接口上又需要注意隔离,那么就需要大电阻(1M,通过人体模型来的)进行隔离,下图为最简单的处理,从电磁干扰(EMS)角度考虑,板子会产生高频的干扰,而这些干扰是要泄放到大地的,这些干扰通过C2电容进行泄放,该电容需要采用高耐压值,因为有静电,容值要很小,因为滤除的是高频信号。

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2.2 防反接、防倒灌设计

为了电源的更加稳定,本设计加入肖特基二极管用于防反接、防倒灌设计。肖特基二极管具有压降小,开关速度快,还可以吸收瞬间的浪涌功率等特点,具有以下作用

防反接:当usb接口接反时,不会有GND->VBUS的电流(虽然采用USB不会存在这种情况,但是在设计时还是考虑进去)

提高LDO的效率:LDO的效率计算公式为: Vout/Vin,不加二极管时,大约为 3.3/5=66%, 加了二极管后,为 3.3/4.5=73%

防止电流倒灌:当USB断开时,此时USB这边会迅速掉电,但是负载电路由于有储能电容的存在,并不会迅速掉电,这就导致了电流会将流入USB,加上肖特基二极管可以防止电流倒灌。

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3. LDO RT9193-33电路设计

核心板考虑到体积要很小,所以我们采用小封装的LDO, 本设计采用RT9193-33 LDO进行设计。由于USB的电源比较稳定, 所以在电源输入级的储能滤波电容可以小点,输入电源采用先大后小结构,大的用于储能滤波,小的去除高频噪声,输出电源也采用大小结构,STM32数据手册说接入至少4.7uF的电容, 那么我们这采用10uF的电容,再配一个去除高频噪声的电容即可。为了更加直观的查看电源是否正常工作, 本设计在电源输出端加入了电源指示灯电路。

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4. MCU模拟电源π形滤波电路设计

因为给模拟电路供电,所以本设计采用磁珠进行隔离。磁珠具有以下特性:

在低频时相当于0R电阻

在高频时相当于电感

等效于电阻和电感串联,但电阻值和电感值都随频率变化,在高频段,阻抗由电阻成分构成,随着频率升高,磁芯的磁导率降低,导致电感的电感量减小,感抗成分减小但是,这时磁芯的损耗增加,电阻成分增加,导致总的阻抗增加,当高频信号通过铁氧体时,电磁干扰被吸收并转换成热能的形式耗散掉。

下图是采用π型滤波,根据数据手册,模拟电源处也要放置至少4.7uF的储能电容,所以也需要采用大小电容结构。

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5. RTC电源滤波电路设计

RTC电源处不要太太多的电容,因为电容也会漏电,由于RTC一般用于低功耗场合,一般为uA级别,但是电容天生就会漏电,一般也为uA,如果在电源处加入很多电容的话会导致漏电很严重,增大RTC的功耗,导致使用时间大大缩短。在平常的设计中只需要加入一个100nF的电容即可。

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6. 数字电源滤波电路设计

数据手册上说要放11个100nF和1个4.7uF的电容,在我们设计中,可以不用放置这么多,有多少个VDD就放置多少个去耦电容即可。

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