В этой статье мы подробно рассмотрим цифровые источники питания с переключением (SMPS), основанные на микроконтроллерах STM32. Мы начнем с введения в микроконтроллеры STM32, затем рассмотрим основы цифровых источников питания и обсудим, как выбрать подходящий микроконтроллер STM32 для цифровых приложений питания. Мы сосредоточимся на микроконтроллерах серии STM32G4, изучим их внутреннюю архитектуру, программные инструменты, аппаратные решения и всестороннюю экосистему, предоставляемую STMicroelectronics для цифровых приложений питания.
Серия STM32, разработанная STMicroelectronics, представляет собой семейство 32-битных микроконтроллеров, основанных на процессоре Arm Cortex-M. Эта серия включает различные микроконтроллеры, подходящие для различных приложений. В зависимости от вашей конечной задачи вам нужно выбрать подходящий микроконтроллер. Семейство STM32 можно разделить на четыре основные категории: Основные МКУ: Подходят для различных промышленных приложений, таких как цифровое питание и управление двигателями. Высокопроизводительные МКУ: Идеальны для приложений, требующих многопроцессорной или высокоскоростной обработки. Ультранизкопотребляющие МКУ: Разработаны для приложений с батарейным питанием, с акцентом на потребление энергии. Беспроводные МКУ: Оснащены встроенными модулями беспроводной связи.
Далее давайте сравним аналоговые и цифровые источники питания с переключением. В аналоговых источниках питания с переключением выходное напряжение сравнивается с опорным значением через вывод обратной связи, и сигнал ШИМ корректируется соответствующим образом. В отличие от этого, в цифровых источниках питания с переключением выходное напряжение считывается через вывод АЦП, сравнивается с внутренним опорным значением, и затем корректируется сигнал ШИМ.
Например, для регулировки выходного напряжения в аналоговом источнике питания с переключением требуется изменение внешних резисторов, в то время как в цифровом источнике питания с переключением можно просто изменить опорное значение в прошивке. Для регулировки частоты в аналоговом источнике питания требуется изменение внешних резисторов, а в цифровом источнике питания можно перенастроить таймеры. Тестирование различных топологий в аналоговых решениях требует различных интегральных схем, в то время как цифровые источники питания с переключением могут использовать один и тот же контроллер для нескольких топологий, просто меняя силовой этап.
Контрольная карта STM32G4x является отличным примером, служащим единым цифровым контроллером для изучения различных топологий. Цифровые источники питания с переключением не только контролируют силовую цепь, но и мониторят различные параметры и управляют коммуникацией.
Цифровое управление имеет несколько преимуществ перед аналоговым управлением, включая более высокую эффективность системы и плотность мощности, более гибкие управляющие контуры, более высокую интеграцию системы и гибкость в проектировании. С цифровыми источниками питания вы можете тестировать новые топологии, просто меняя силовой этап, сохраняя контроллер постоянным, что повышает надежность и безопасность системы.
В приложениях цифровых источников питания с переключением важны периферийные устройства микроконтроллера. Цифровые источники питания требуют высокоскоростных процессоров, АЦП и ЦАП высокого разрешения, таймеров с высоким разрешением, математических калькуляторов и периферийных устройств для обмена данными.
Теперь давайте обсудим, как выбрать подходящий микроконтроллер STM32. При выборе микроконтроллера необходимо оптимизировать потребление энергии, пространство (т.е. упаковка) и стоимость. В рамках семейства STM32 серии STM32F3 и STM32G4 особенно хорошо подходят для приложений цифрового питания. В следующих разделах мы сосредоточимся на микроконтроллере STM32G4.
STM32G4 — это продвинутый микроконтроллер, специально разработанный для цифровых приложений питания. Он поддерживает различные топологии преобразования переменного тока в постоянный и предлагает несколько вариантов упаковки. Одной из примечательных особенностей STM32G4 является возможность синхронизации любых внутренних или внешних событий с другими периферийными устройствами, что позволяет небольшим блокам кода работать как независимые конечные автоматы. Мы подробно рассмотрим эту функцию в процессе конфигурации STM32G4x.
Внутреннее строение микроконтроллера STM32G4 включает: поддержку рабочих напряжений от 1.7 В до 3.6 В (обычно 3.3 В), максимальную тактовую частоту 170 МГц, 7 внутренних компараторов и 6 внутренних операционных усилителей. Он имеет 5 каналов АЦП и 12-битный ЦАП, с 4 внутренними ЦАП и 3 внешними ЦАП. Для отладки пользователи могут выбрать между JTAG или SWD (Serial Wire Debug). Почти все выводы GPIO могут быть настроены для функций GPIO. Если выводы не используются другими периферийными устройствами, почти все выводы могут служить в качестве GPIO. Таймеры высокой четкости могут генерировать до 12 сигналов ШИМ и могут быть синхронизированы по мере необходимости. Кроме того, имеются продвинутые и базовые таймеры, которые пользователи могут настроить в соответствии с их требованиями. Также присутствуют периферийные устройства для связи, такие как SPI, I2C, UART, CAN и USB.
До сих пор мы рассмотрели серию STM32, выделили ключевые периферийные устройства, необходимые для цифровых приложений питания, и предоставили подробный обзор микроконтроллера STM32G4. Разработка приложений может показаться сложной, но STMicroelectronics предлагает множество инструментов для помощи. Во-первых, это STM32CubeMX, графический интерфейс, который помогает генерировать прошивку для приложений. Он поддерживает выбор микроконтроллера, конфигурацию выводов и инициализацию периферийных устройств, и может генерировать начальный код для IAR, Keil и STM32Cube IDE. В следующем разделе мы сосредоточимся на STM32CubeMX, показав, как инициализировать различные периферийные устройства, конфигурировать выводы микроконтроллера и генерировать код.
Другим важным инструментом является IDE (интегрированная среда разработки). STM32CubeMX может генерировать начальные рабочие пространства для IAR Systems, Keil и Eclipse IDE. IAR Systems — коммерческий продукт, Keil предлагает пробную версию, а Eclipse является бесплатной. IDE является необходимым инструментом для разработки и отладки приложений. Для приложений цифровых источников питания с переключением существует инструмент под названием Digital Power Workbench, который предоставляет шаги для оптимизации дизайна, включая проектирование силового этапа и управляющей петли.
Что касается аппаратных платформ, микроконтроллер STM32G4 поставляется с несколькими платформами для оценки. Первая категория — это платы STM32 Nucleo, которые являются экономичными и универсальными. Микроконтроллер находится в центре, и все выводы GPIO доступны через разъемы ST morpho и Arduino Uno. Эти платы не требуют внешнего отладчика, так как отладчик уже интегрирован. Подробную информацию обо всех платах STM32G4 Nucleo можно найти в STM32CubeMX, и есть несколько примеров, основанных на платах Nucleo G4, которые можно изменить для конкретных приложений. Также существуют платы x Nucleo, которые можно монтировать на платах Nucleo для обеспечения различных приложений.
Вторая категория аппаратных платформ — это комплекты Discovery, предназначенные для оценки конкретных приложений. Например, первый комплект оценивает интерфейсы разъемов USB Type-C и приложения преобразователей buck-boost, с полными деталями аппаратного и программного обеспечения на сайте ST. Второй комплект специально предназначен для управления двигателями, интегрируя MOSFET и связанные с ними драйверы.
Третья категория — это платы оценки, которые представляют собой полные демонстрационные и разработческие платформы, помогающие пользователям улучшить разработку приложений и оценить все периферийные устройства STM32G4. Наконец, есть эволюционные или референсные платы от STMicroelectronics, которые можно рассматривать как полные системы. Существует несколько плат для приложений цифровых источников питания с переключением, включая зарядку аккумуляторов, инфраструктуру электромобилей и управление двигателями. Все платы STM32 Nucleo, комплекты Discovery и платы оценки можно приобрести на сайте ST или у дистрибьюторов. Некоторые платы оценки или референсные платы можно приобрести напрямую. Подробные схемы и проектные спецификации (включая магнитные компоненты и приложения прошивки) для всех плат оценки или референсных плат можно найти на сайте ST.
В следующих разделах мы сосредоточимся на двух конкретных платах: STDES-2KW5CH48, плате зарядки мощностью 2.5 кВт, поддерживающей входное напряжение от 85В до 265В и выходное напряжение для зарядки аккумуляторов 48В, с постоянным током PFC на входе, DC-DC полумостовым LLC-конвертером на стадии и выпрямлением. Вторая плата — это высоковольтный полумостовой LLC-конвертер. В будущих обсуждениях мы будем тестировать различные формы сигналов, поэтому следите за обновлениями.
В предыдущих разделах мы обсудили различные программные инструменты, включая STM32CubeMX, который не только помогает в выборе микроконтроллера, конфигурации выводов и управлении часами, но и генерирует рабочие пространства и код для инициализации всех периферийных устройств. Мы также представили Digital Power Workbench и несколько аппаратных платформ, таких как платы STM32 Nucleo, комплекты Discovery и платы оценки. Для понимания функциональности периферийных устройств или приложений и ускорения разработки продукта были разработаны различные примеры прошивки для плат STM32 Nucleo и STM32G4. Кроме того, на сайте Bostock Electronics доступны подробные документы, которые помогут в ваших проектах.
