2021电赛后 | 为什么电源题用STM32G4系列能获奖？

▲ 点击上方 关注STM32 

STM32G474RET6隶属于STM32G4系列，继承了很多STM32F3的理念，并拥有更强劲的性能和数字、模拟处理能力。相比于传统的F1等系列，其在性能、外设、安全等多方面进行了多项升级，能更好的满足设计与应用需求，非常合适应用于电赛中的电源题。

• 主频：最高170 MHZ CPU 频率，同时具有FPU单元、512KB Flash与128 KB SRAM，满足计算处理与控制需要；

• 高分辨率定时器：采用主定时器+ 6个子定时器架构，可交叉同步，倍频可达5.4GHZ，高达12 路PWM输出，每路最小分辨精度为184ps ，同时具备多种故障/事件输入，可减少软件开销；

• 硬件加速器：具有3种，包括ART加速器 (动态缓存) 、关键程序加速 CCM-SRAM (静态缓存)、数学加速器 (三角函数 + 数字滤波器)；

• 其他模拟外设：12位ADC，采样率高达4Msps，支持硬件过采样，可达16位精度；具有可编程高精度运放（带宽13MHZ，斜率45V/µs；高速比较器（传播延迟16.7ns）。

对于本届电赛电源题，如B题三相整流时只需6路PWM+6路AD的硬件资源，C题采用四关升降压+2开关同步升压方案时，也只需6路PWM+6路AD即可满足设计。而比较器等外设还可实现快速触发，进行保护功能设计等。

对于STM32G4控制器而言，其软件设计完全兼容传统F1/F4等系列，可通过STM32CubeMX图形化配置软件进行相关外设的初始化操作，相关常规外设的API也与传统系列完全兼容，因此入门门槛极低。

利用STM32CubeMX工具，用户可以很方便地完成芯片引脚和片内外设的设置，动态配置时钟以及添加嵌入式操作系统等中间件，并配合MDK−ARM等集成开发环境，快速生成应用程序框架。

对于本届电赛电源题，其主拓扑的PWM生成、ADC采集的初始化、软件调整环路的定时器等功能代码，通过STM32CubeMX可快速生成，同学们可将更多精力放在功能设计与参数调节上。

STM32G4作为一款基于Arm Cortex-M4架构的产品，定位为主流型MCU，其优秀的生态系统还包括如下优势：

• 性价比高：作为ST主推的新型处理器，其相较于传统的F1/F4等系列，其价格低廉，性能却进一步提升；

• 问题易查找：遇到开发问题，可在网络上快速查找到相关问题解答，这对硬件调试与程序设计非常有帮助。

同学们选择STM32G4处理器和G4实验平台作为赛前培训，不仅可以快速掌握开发STM32G4系列微控制器的方法，更是可提升自己的工程设计能力与创新意识，为能够自主完成电源赛题设计与调试提供助力。

对于备战电赛的同学们来说，时间是最宝贵的。在紧张的学业之余，一些特别的辅助设备能够帮助同学们高效学习，由李胜铭老师设计的STM32G4数字电源套件就让大连理工的备战赛队领先于电赛起跑线。

为了用户能够更方便地进行多种数字电源的实验，挑选了一些开关电源中主流的拓扑进行了模块化设计。而在STM32G4数字电源套件中，用户可以使用一块上图所示的主控板，通过单根FPC软排线连接至各种数字电源拓扑的子模块电路（目前开发了BUCK、BOOST、SEPIC、CUK电路，正在进行电子负载、DCDC并联交错均流、正弦波逆变、PFC、LLC、移相全桥、双向有源全桥DAB等主流、高端电路的设计），并且附送有FPC接口的转接板便于用户自行进行功能扩展。

主控板采用4层板设计，内层有独立的电源层和接地层，保证信号的接地回流阻抗，增强整体电路的抗干扰性能。主控板辅助供电部分可选直接输入或者从功率板取电。辅助供电方案是使用了一颗最高60V输入的DC-DC开关电源芯片来对输出电压降压至5V，来提供辅助电源的直流母线电压。对于需要使用12V的电路，主控板上集成了一颗DC-DC升压芯片将5V电压升压至12V并通过FPC软排线输出以供MOS的驱动芯片等电路使用。在辅助电源部分，采用了TVS二极管、整流二极管以及多颗自恢复保险丝来对电路进行全方位的保护。

该主控板与功率子模块使用单根FPC软排线进行连接，具有操作方便、连接可靠、简洁美观等特点。主控板可以通过该FPC接口从主功率版取电来使得辅助电源电路开始工作，并且可以通过板载的一个短路帽接口来控制是否从功率板取电。同时，主控板通过FPC软排线来实时监测功率板上各个节点的电压、电流、以及故障信号，从而利用这些监测信息来通过FPC接口发出高精度的PWM信号来对功率板上的功率开关器件进行控制从而实现能量的变换、转移。

该主控板上的PWM输出口均采用74HC74系列接口缓冲芯片对MCU产生的PWM信号进行缓冲并且将输出电平提升至5V（也可通过更改0R电阻位置选择3.3V输出电平）以提高抗干扰能力和驱动能力。所有模拟采集端口均采用RC滤波和TVS二极管进行数据滤波和端口保护，以免操作不当损坏MCU电路。

为了便于用户扩展实验，主控板上通过2.54mm间距排针引出了MCU上未用的一些IO口来方便扩展使用。同时使用5颗光耦来实现了3路隔离输出、2路隔离输出，因此适合于在一些特殊场合提供隔离的数字IO能力。

该主控板板载了USART、RS485和CAN的通信接口（左下方），可以方便用户进行多机通信以及控制。并且具有微动按键、OLED液晶等完备的人机交互接口。同时通过操控DC-DC芯片使能引脚的电压，加入了一个自锁开关来控制主控板辅助供电电路的工作状态，且避免了将电源开关直接串联在电路中造成的损耗以及其它问题。

该模块为基于STM32G474RE的双向升降压电路，为了方便调试和使用，板载了一个STM32G474RE芯片用于功率电路的检测、控制和通信以及人机交互。电路对输入和输出的电压以及电流均进行了检测，因此具有输出恒压、输出恒流、最大功率点追踪等多种功能，均可以通过软件算法来实现。

该仿真器是基于ARM公司的开源方案设计的CMSIS-DAP仿真器，并且做了如下修改优化：

• 加入一个隔离TTL串口来便于用户调试；

• 在DAP源程序中加入了Cortex-M系列芯片的软件复位代码，从而对于大多数仿真情况不再需要连接硬件RESET信号线；

• 使用150MHZ速度的数字隔离芯片隔离了仿真接口，具有3.5KV_RMS的隔离电压等级。针对SWD接口的SWDIO双向信号的隔离难点，使用了一个数字缓冲芯片（输出可变为高阻状态），并且在仿真器控制芯片上面加入相关代码额外引出了一个IO口作为SWDIO信号的输入和输出方向控制来完美实现SWDIO信号的双向隔离；

并且随产品附送了两个SWD、TTL串口的转接板，便于用户在不同场合下使用，避免了频繁接线的烦恼。

• 输入和输出部分有TVS二极管进行保护，且有一个0.1uF的MLCC电容进行滤除高频干扰；

• 该BUCK降压电力路模块采用了高性能的MLCC陶瓷电容搭配大容量的铝电解电容，在提供了高容值的情况下，对高频开关信号同时具有极小的ESR；

• 每个高di/dt和dv/dt热回路均做了处理，使得回路面积尽量小，减小干扰以及减小ESL寄生参数；

• 控制部分、检测部分、功率部分单点接地于输入电容的负极，避免相互干扰；

• 留有各个关键节点的测试点，并用不同的颜色进行标识。可测量输出电压、输出电流、电感电流、开关管VGS、VDS等关键节点的波形；

• 采用了大电流接线端子方便用户接线；

• 采用了高速运放OPA2375对电感电流进行采集和控制以及对电路进行保护；

• 采用了线艺公司的扁铜线电感，提供较高性能；

• 使用模拟比较器芯片对电感电流以及输出电流进行故障检测，并送往STM32G474的PWM故障引脚，实现快速保护；

• 输入电压和输出电流的信号连接至STM32G4的内部比较器接口，实现快速过流、过压保护；

• 留有波特测量端口，可通过网络分析仪或者带波特测量功能的示波器对电路的响应进行测试，便于进行调试，可以使设计人员更清楚了解数字控制器的动态响应；

• 均采用运算放大器的差分电路采集输入电压、输出电压、电感电流以及输出电流，做到全方位的检测控制以及保护性能。

© THE END