刘军(正点原子)：一款电源控制板设计中的问题与分析(STM32主芯片)

刘军(正点原子)

【作者简介】刘军(正点原子)：无协第25届技术总监，现就职于佳都新太科技股份有限公司，任电子工程师一职。对STM32有深入的研究，曾出版著作《例说STM32》，曾受邀到ST公司演讲，自己研发的STM32开发板在淘宝上销量火爆。

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一、问题现象

功能：电源控制板可以单独控制5V/12V/24V三路电压的输出，并测量其电流和电压。

电源控制板所选CPU为STM32F103C8T6@72Mhz.

电源控制板所选继电器为：24V@12mA.

电源控制板所有电解电容均为2200uF.

电源控制板2.0PCB如下图所示：

图1

下面是地线回路：

图2

打样焊接后，测试时发现如下问题：

1，stm32控制K3导通(K3控制12V的输出。)，导致STM32异常重启。重启2~3次之后，可以正常控制K3导通。

2，K3导通后，在VCC12处人为短路，导致STM32重启，但是电流显著增加(之前为20ma，之后为350ma)，同时STM32发热严重。但是STM32运行正常(持续观察数分钟无异常)。

二，原因分析

先看问题2.

根据现象我进行了如下检测：

1，STM32正常工作，在电源输入口直接短路12v，现象不能重复。

2，STM32正常工作，将K3强行导通，在12V输出口短路，现象被重复。

3，STM32进B00TLOADER模式，将K3强行导通， ，在12V输出口短路，现象被重复。

仔细检查PCB后，发现问题可能是出在地线回路，如图3所示：

图3

我这样设计的本意是VSSA的地和STM32的其他地是分开的，为了ADC准确，我特地把VSSA和模拟部分的地连在一起，而STM32的其他地则连到另外一个地线网络，如图3所示。

采取措施如下，如图4所示：

图4

在A处，将底层的地线割开，在B处，用焊锡连接两个地线网络。在做同样测试，未重现问题2，而问题1依旧。问题2得到解决。

再看问题1.

根据问题2的解决方法，问题1的问题，也有可能出在地线。

在解决问题2之后，地线网络分为上下两层。没有连接在一起(没有形成地线环)。我认为干扰可能来自ULN2003，于是把ULN2003的地线割开，直接连接到电源输入点的地。如图5所示：

图5

在C处割开，断开ULN2003与下方地网的连接，直接连接在地线输入端。

经测试，问题依旧。

进一步查看，发现图6所示电流圈：

图6

这样5V-》3.3V-》GND回路就形成了一个环，并且刚好将12V的输出圈在里面，当输出短路的时候，瞬间电流变化很大，谐波很多，对环路会形成很大干扰。因此导致STM32死机。(这里可以预测5V短路应该也会导致STM32死机，只是如果5V短路了，STM32就没电源了，不好观测现象)。

解决办法如图7：

图7

在D处，将地线割断，直接从E处飞线连接F处。再测试，问题得到解决。

至此，问题1得到解决。

此时，更进一步，测试短接24V输出，产生很大火花(电容2个2200uF并联，比较足)，同时导致STM32死机，原因同样是形成了电源回路，导致死机。

解决办法如图8：

图8

在G处，将地线网络断开，连接H处和E处。再测试，24V短路也无法导致STM32重启。问题得到解决。

二，总结

1. 对STM32的内部电源理解薄弱，想当然的认为VSSA和GND无任何联系。

2. 虽然参加了电磁兼容的培训，但是实际经验严重不足，导致设计缺陷明显。

3. 说某个芯片的看干扰性能不行，多半是自己电路设计不行。电路设计的差，再好的芯片也是百搭。

4. 问题解决期间，试过在PCB下面放一块铜板(覆铜PCB)，同时连接到GND，发现对问题解决没多大帮助(问题依旧)，不要指望覆铜解决所有干扰的问题.