嵌入式硬件设计实例：基于STM32的流水灯原理图和PCB设计

嵌入式硬件设计实例：基于STM32的流水灯原理图和PCB设计

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/tilblackout/article/details/136437752

本文将详细介绍基于STM32的流水灯硬件设计，包括原理图设计和PCB设计的各个方面。通过本文的学习，读者将掌握STM32最小系统的设计方法，了解电源部分、Buck电路、LED部分的设计要点，以及PCB布局和布线的注意事项。

1 目标和需求

本篇文章的目标是实现一个简单的流水灯硬件设计。具体需求如下：

• 主控芯片：选择STM32F103系列芯片，因为只需要GPIO功能即可实现流水灯效果。
• 电路组成：
• 调试接口：4线SWD
• 晶振
• Buck降压电路：提供3.3V电压给主控
• 8个LED灯

电路组成实际上就是STM32最小系统，再加上8个LED灯。

2 原理图设计

2.1 电源部分

电源部分是硬件电路板设计中最重要的一部分。以下是具体的电源设计：

2.1.1 电源座子

使用12V适配器供电，选择DC12圆孔封装。封装有3个引脚，1个是12V，2个是GND。

实际的电路如下：

2.1.2 Buck电路

对于STM32芯片来说，系统的电压是3.3V的，所以需要一个降压电路。简单地介绍一下Buck电路。

Buck电路是一种常见的降压型(step-down)直流-直流(DC-DC)转换器电路。它的主要作用是将一个较高的直流电压转换为一个较低的直流电压。Buck电路的工作原理基于电感和开关元件的组合，通过周期性地打开和关闭电路中的开关元件来实现电压的降低。

假设输入为15V，要降压为5V，中间是一个开关，输出连接一个电容。控制开关，闭合开关，将电容充电到6V时断开，到4V时再闭合开关。但刚开始电容相当于短路，此时电流非常大，会损坏电容，所以要在前面再串一个电阻。但电阻会消耗功率，所以不太合适。现在又不希望刚开始电容电流无限大，又不希望前面消耗功率。而电感可以阻碍电流的增大，它是BUCK电路中最核心的器件。

刚开始电感的阻抗无穷大，两端电压就等于输入电压，接着电感的压降越来越小，电流逐步增大，这样电流正好就满足了电容缓慢充电。电感的电流不会突变，但电压会突变，而这有后面的电容限制这个突变。

开关断开时，由于15V还存在着，电感产生的感生电动势会到开关左端，从而产生电弧。所以要给电感一个回路。

• 放电时经过二极管放电，上端电压为-0.7V，所以开关的耐压要大于15.7V；二极管的耐压要大于15V。
• 电感上升阶段斜率逐渐变缓
• 电感下降阶段斜率逐渐变抖，最终会趋于稳定。

2.1.2.2 Buck电路设计

选择MP2359作为Buck降压芯片。根据手册中的典型设计，设计原理图如下：

其中：

• R1和R2是反馈电阻，用于控制输出电压大小。
• 二极管D1是肖特基二极管，因为它有更好的快速开关特性、抗热性能和低正向压降。
• CB提供Bootstrap电压，存储开关周期内的电荷。
• 电感的作用是储能，C1和C2是输入/输出滤波电容。

2.2 STM32最小系统

选择STM32F103VET6型号。根据官方数据手册设计原理图，分为系统电源部分和其他引脚部分。

• 由于本例中没有用到特别多片上外设，其他引脚就简单地放在一起了。如果用上了，建议继续将引脚归类和细分，如SPI放一起，I2C放一起等；这样做不仅是为了美观，也是为了减少错误。

电源部分

其他引脚部分

接着添加晶振和调试引脚：

• 晶振：STM32中有两种晶振：
• OSC：连接8MHz的外部晶振，用于提供系统时钟（SYSCLK）或主时钟。
• OSC32：连接32.768kHz的外部晶振，常用于RTC模块。

实际上在这么简单的应用中，完全可以不接任何晶振，直接使用内部晶振。

• 复位引脚NRST的电容：主要是防止由于开关或其他外部因素引起的短时噪声或干扰对NRST引脚的误触发。如果接了一个按键用于复位，那电容还可以调整复位脉冲的上升时间，防止快速或突发的电平变化触发不必要的复位。

2.3 流水灯设计

流水灯部分的原理很简单，当GPIO输出高电平时，LED点亮，反之熄灭。电阻的大小取决于所选LED的数据手册。

3 PCB设计

由于原理图非常简单，二层板足以。以下是PCB设计中需要注意的细节：

3.1 封装选择

• 电阻和LED：选择0603封装，由于是初学，选择大一些的封装。注意，封装越小，能承受的功率越小。
• 电容：对于Buck电路来说，输入和输出的电压很大，需要选择大一点的封装，C3和C4选择C1206封装；其他选择0603封装。
• 肖特基二极管：根据所用二极管的手册选择，这里是DO-216AA。

3.2 电源滤波考虑

在电源附近放置104电容，主要目的是：

• 抑制高频噪声
• 提供瞬态稳定性
• 降低电源线上的尖峰

在设计PCB时，根据STM32芯片或其他芯片的封装布局，确定需要添加的104电容数量，并在原理图中添加，然后布局时放在电源附近。

对应放在STM32的几个电源附近：

3.3 Buck电路布局和布线

电源是系统中最重要的一部分，除了需要尽可能地将电源线弄宽之外，还需要注意以下布局和布线要点：

• 强电路径(GND/IN/SW)应该尽可能短且宽
• 输入电容需要和IN和GND引脚尽可能近
• 外部反馈电阻需要离FB引脚近
• 开关节点的走线短且远离反馈网络
• 对于6号开关引脚SW，由于频率很高，建议把连在这个引脚的电容、肖特基二极管和电感直接敷铜。

3.4 LED部分设计

由于是做流水灯，所以LED需要放在一起。在原理图中，会根据布线的难易程度，尽可能地将物理上要放在一起的器件所对应的引脚放在一起。

3.5 3D演示

以下是该板子的3D图：

4 总结

本篇文章简单介绍了嵌入式单片机的一个简单的最小系统的设计，涉及的知识点包括电源设计、Buck电路设计、STM32最小系统设计、LED设计以及PCB布局布线等。如果要做更复杂的PCB设计，如高频、强弱电、EMC等，还需要考虑更多方面的因素，如电容电阻的参数、阻值大小、容值大小等。