基于STM32的DCM模式下的BUCK变换器设计

# 基于STM32的DCM模式下的BUCK变换器设计 - 本工程包括软件部分的STM32的代码以及硬件部分的Altium Designer设计的PCB - STM32使用STM32F103RCT6并移植FreeRTOS操作系统，进行按键任务、ADC任务、PWM生成任务、PID任务的调度管理 - PCB包括控制电路STM32，驱动电路以及主电路BUCK电路 下面就两部分进行介绍： ## 5、硬件部分 ### 5.1、STM32F103RCT6控制电路 Cortex-M3采用目前主流ARM V7-M架构，相比曾风靡一时的ARM V4T架构拥有更加强劲的性能，更高的代码密度，更高的性价比。Cortex-M3处理器结合多种突破性技术，在低功耗、低成本、高性能三方面具有突破性的创新，使其在这几年迅速在中低端单片机市场异军突起。 国内Cortex-M3市场，ST（意法半导体）公司的STM32无疑是最大赢家，作为Cortex-M3内核最先尝蟹的两个公司（另一个是Luminary（流明））之一，ST无论是在市场占有率，还是在技术支持方面，都是远超其他对手。在Cortex-M3芯片的选择上，STM32无疑是大家的首选。所以自从ST推出STM32之后，一股强劲的STM32学习开发风潮扑面而来。本书也因STM32的流行应运而生。 开发板选择的是STM32F103RCT6作为MCU，它拥有的资源包括：48KBSRAM、256KBFLASH、2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、2个DMA控制器（共12个通道）、3个SPI、2个IIC、5个串口、1个USB、1个CAN、3个12位ADC、1个12位DAC、1个SDIO接口及51个通用IO口。该芯片性价比极高。 #### 5.1.1 MCU部分的原理图如图 <img src=".\IMAGE\MINI-STM32_页面_1.jpg"/> #### 5.1.2 PCB如图 <img src=".\IMAGE\MINI-STM32_页面_2.jpg"/> #### 5.1.3 PCB板的3D效果如图 <img src=".\IMAGE\STM32.png"/> #### 5.1.4 BOM报表如下 <img src=".\IMAGE\MINI-STM32_页面_3.jpg"/> 上图中中上部的BOOT1用于设置STM32的启动方式，其对应启动模式如下表所示： | BOOT0 | BOOT1 | 启动模式 | 说明 | | :---: | :---: | :------------: | :-----------------------------: | | 0 | X | 用户闪存存储器 | 用户闪存存储器，也就是FLASH启动 | | 1 | 0 | 系统存储器 | 系统存储器启动，用于串口下载 | | 1 | 1 | SRAM启动 | SRAM启动，用于在SRAM中调试代码 | 一般情况下（即标准的ISP下载步骤）如果我们想用用串口下载代码，则必须先配置BOOT0为1，BOOT1为0，然后按复位键，最后再通过程序下载代码，下载完以后又需要将BOOT0设置为GND，以便每次复位后都可以运行用户代码。 #### 5.1.5 JTAG部分电路如下图： <img src=".\IMAGE\TIM截图20181202202550.png" width="500px"/> 这里采用的是标准的JTAG接法，但是STM32还有SWD接口，SWD只需要最少2根线（SWCLK和SWDIO）就可以下载并调试代码了，这同我们使用串口下载代码差不多，而且速度更快，能调试。所以建议在设计产品的时候，可以留出SWD来下载调试代码，而摒弃JTAG。STM32的SWD接口与JTAG是共用的，只要接上JTAG，你就可以使用SWD模式了（其实SWD并不需要JTAG这么多线），JLINK V8/JLINKV7ULINK2以及STLINK等都支持SWD。这里，我们使用SWD模式。 #### 5.1.6 按键 STM32开发板总共有3个按键，其原理图如下： <img src=".\IMAGE\TIM截图20181202203009.png" width="500px"/> KEY0和KEY1用作普通按键输入，分别连接在PC1和PC13上，WKUP按键连接到PA0（STM32的WKUP引脚），它除了可以用作普通输入按键外，还可以用作STM32的唤醒输入。 #### 5.1.7 LED STM32开发板上总共有3个LED，其原理图如下： <img src=".\IMAGE\2018-12-02_203312.gif" width="500px"/> 其中D2是开发板电源指示灯。LED0和LED1分别接在PA8和PD2上，PA8还可以通过TIM1的通道1的PWM输出来控制D0的亮度。 #### 5.1.8 无线模块 STM32 开发板板载了NRF24L01无线模块的接口。该接口用来连接NRF24L01等2.4G无线模块，从而实现开发板与其他设备的无线数据传输（注意：NRF24L01不能和蓝牙/WIFI连接）。NRF24L01无线模块的最大传输速度可以达到2Mbps，传输距离最大可以到30米左右（空旷地，无干扰）。有了这个接口，我们就可以做无线通信，以及其他很多的相关应用了。这部分原理图如下： <img src=".\IMAGE\TIM截图20181202203608.png" width="500px"/> #### 5.1.9 SPI FLASH STM32开发板载有SPIFLASH芯片W25Q64，该芯片的容量为8M字节，其原理图如下： <img src=".\IMAGE\TIM截图20181202203720.png" width="500px"/> #### 5.1.10 USB、电源 开发板的供电部分还引出了5V（VOUT2）和3.3V（VOUT1）的排针，可以用来为外部设备提供电源或者从外部引入电源，这在很多时候是非常有用的，有时候你突然要一个3.3V的电源，但找半天就是没这样的电源，而我们的板子则可直接向外部提供3.3V电源，有了它，你就可以给外部设备提供3.3V、5V电源了。注意电流不能太大！ 开发板的USB接口（USB）通过独立的MiniUSB头引出，不和USB转串口（USB232）共用，这样不但可以同时使用，还可以给系统提供更大的电流。 这几个部分的原理图如下： <img src=".\IMAGE\TIM截图20181202203911.png" width="500px"/> ### 5.2、驱动电路 #### 5.2.1 驱动电路原理图如下 <img src=".\IMAGE\Drive_Circuit_页面_1.jpg"/> #### 5.2.2 PCB如下 <img src=".\IMAGE\Drive_Circuit_页面_2.jpg"/> #### 5.2.3 3D效果图如下 <img src=".\IMAGE\Drive.png"/> #### 5.2.4 BOM报表如下 <img src=".\IMAGE\Drive_Circuit_页面_3.jpg"/> #### 5.2.5 电压检测电路 <img src=".\IMAGE\1.png"/> 将输出电压经过运放·358放大2倍，送入滤波电路后，进行电压限幅后送入单片机AD通道。因为输出电压一直为正，运放不会产生负压，所以358采用单电源供电，减少了-5V电源的产生电路。 #### 5.2.6 驱动电路 <img src=".\IMAGE\2.png"/> 我们在单片机的AD输出端口与IR2110外围模拟电路之间添加了TLP521光耦隔离，增强电路的安全性，减小电压的干扰。 另外，IR2110的不足是不能产生负偏压。在大功率IGBT驱动场合，各路驱动电源独立，集成驱动器一般都能产生-5 V负压，用于增强IGBT关断的可靠性，防止由于密勒效应而造成误导通。IR2110器件内部虽不能产生负压，但可通过外加无源器件产生负压。 在驱动电路中增加由电容和5V稳压管组成的负压电路。其工作原理为：电源电压Vcc为20V。在上电期间，电源通过R8为C13充电，C13保持5V电压。HIN输入高电平时，HO输出20V，加在VG1的电压为15 V。当HIN为低电平时，HO输出0 V，VG1电压为-5V。选择的C13，C14要大于IGBT栅极输入寄生电容Ciss。自举电容充电电路中的二极管D1必须是快恢复二极管，以保证在有限时间内快速导通。 #### 5.2.7 与模拟系统对比 数字系统采用单片机控制，电路需要添加隔离电路，相比较模拟系统的3525芯片及其外围电路，成本较高；而在闭环的PI调试环节，数字系统只需要更改程序中的PI参数，相比较模拟系统更改电位器的电阻值而言，更加的方便快捷。 ### 5.3、主电路 #### 5.3.1 主电路原理图如下 <img src=".\IMAGE\BUCK_页面_1.jpg"/> #### 5.3.2 PCB如下 <img src=".\IMAGE\BUCK_页面_2.jpg"/> #### 5.3.3 3D效果图如下 <img src=".\IMAGE\BUCK.png"/> #### 5.3.4BOM报表如下 <img src=".\IMAGE\BUCK_页面_3.jpg"/> ### 5.4、UART 串口屏幕 串口屏定义就是，带串口控制的液晶屏就是串口屏了 详细定义：一套由单片机或PLC带控制器的显示方案，显示方案中的通讯部分由串口通讯，UART串口或者SPI串口等；它由显示驱动板、外壳、LCD液晶显 示�