STM32主芯片电源控制板设计中的问题 详解

　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.