一款电源控制板设计中的问题与分析(STM32主芯片)

正点原子

 

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.

 

 

kenluo

原子改了板之后，如果你们公司有设备的话，去做下EFT，看看怎么样，一般地线回路不好的话，EFT很难过的，呵呵。

正点原子

回复【2楼】kenluo:
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没EFT设备...
公司的设备就一台万用表,一个古董级的示波器.

lkmtdkjplg

回复【2楼】kenluo:
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这电路板做电磁兼容必死无疑

正点原子

回复【4楼】lkmtdkjplg:
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请指教.

shihantu

不单单是电源回路,信号回路也有很大的面积.

shihantu

回头又看,具体有几个问题.
1.既然从5V供电给MCU,那5V线和GND线从电源端到MCU,整个过程都不应有大的包围面积.
2.由于1,所有控制线路的GND参考都应该以1所说的GND线为准,原始图上的复位地和晶振地太远,容易受干扰复位和产生时钟抖动.
3.继电器的供电,最好与2的GND并行,或者在继电器附近增加对GND的退偶电容,不过这样会形成高频地环路.
4.UNL2003的信号与地之间的回路面积很大.
5.ADC采样线环路也很大.
6.不用的运放,应该是同相输入端固定电平,反相输入端和输出端短接.
7.最右边的芯片与接口之间,建议串入电阻,最好增加ESD抑制元件.

shihantu

覆铜是懒得时候才用的,因为可以傻瓜的解决地连接的问题,但是无法控制高频电流路径,所以我对信号敏感的板都用线把地连接好.
覆铜对大斜率电压干扰的抑制还是不错的,不过对大斜率电流的抑制能力很差.大斜率电流是通过控制回路面积抑制的.

shihantu

还有,这块板应该主要的干扰源是地反射噪声,处理好电源和地应该可以解决大部分问题,对应6L的1和2.
如果要跑EFT,6L的其他方案,还有其他的一些对策也是需要的.

正点原子

改为4层板了.

shihantu

4层板的话,不要不小心切断电源层,问题不大.干扰源不要放电源层,否则更麻烦.

但是成本高啊..

wuyiduan

 不同的地直接用磁珠连接是不是能解决这些问题

比如你割开的地方直接用磁珠连接有没有效果
我的PCB水平烂到家了，希望大家指点一下

wangjakn

我觉得的这个板子最好将电源板与控制板分开，仍然使用双层PCB（如果项目允许的话）。本人愚见，请大家指教。

Brantim

没怎么看明白，要是有原理图就好了

jason0055

这个板只要把电源线放外边，地线放里边，双面板很好解决问题。

yzkj

谢谢分享学习了

曾海东

学习了，谢谢楼主的分享

PeterYu

谢谢分享，涨见识，学习学习。

jinx

收藏收藏收藏

幸运

PCB设计时注意大电流回路最短化，有不同大电流回路采用Y型回路绘制线路，从图中看PCB图这有点糟糕。