在本文中，我们将深入探讨基于STM32微控制器的数字开关模式电源（SMPS）。我们将从STM32微控制器的简介开始，然后介绍数字开关模式电源的基本知识，并讨论如何选择适合数字电力应用的STM32微控制器。我们将重点关注STM32G4系列微控制器，探索其内部架构、软件工具、硬件解决方案，以及 STMicroelectronics 为数字电力应用提供的全面生态系统。
STM32系列是由 STMicroelectronics 开发的一系列32位 微控制器，基于Arm Cortex-M处理器。这个系列包括多种适用于不同应用的微控制器。根据你的最终应用需求，你需要选择合适的 微控制器。 STM32系列 可以分为四大类： 主流MCU：适用于数字电力和电机控制等各种工业应用。 高性能MCU：适合需要多核或高速处理的应用。 超低功耗MCU：为注重功耗的电池供电应用设计。 无线MCU：具有内置无线连接模块。
接下来，让我们比较模拟和数字开关模式电源。在模拟开关模式电源中，输出电压通过反馈引脚与参考值进行比较，并相应地调整PWM信号。相比之下，数字开关模式电源通过ADC引脚采样输出电压，将其与内部参考值进行比较，然后调整PWM信号。
例如，在模拟开关模式电源中，调整输出电压需要更改外部电阻，而在数字开关模式电源中，你可以简单地在固件中修改参考值。对于频率调整，模拟开关模式电源需要更改外部电阻，而数字开关模式电源可以重新配置定时器。测试不同拓扑结构的模拟解决方案需要不同的IC，而数字开关模式电源可以通过更改功率阶段而使用相同的控制器来处理多种拓扑结构。
例如，STM32G4x 控制卡是一个很好的例子，作为一个单一的数字控制器来探索各种拓扑结构。数字开关模式电源不仅控制电力回路，还监测各种参数并处理通信。
数字控制相比于模拟控制具有多个优势，包括更高的系统效率和功率密度、更灵活的控制回路、更高的系统集成度以及设计灵活性。使用数字电源，你可以通过简单地更改功率阶段而保持控制器不变来测试新拓扑，从而提高系统的可靠性和安全性。
在数字开关模式电源应用中，微控制器的外设至关重要。数字控制电源需要高速处理器、高分辨率的ADC和DAC、高分辨率的定时器、数学计算器以及用于数据交换的外设。
现在让我们讨论如何选择合适的STM32微控制器。在选择微控制器时，你需要优化功耗、空间（即封装）和成本。在STM32系列中，STM32F3和STM32G4系列特别适合数字电力应用。以下部分将重点介绍STM32G4微控制器。
STM32G4是一款专为数字电力应用设计的先进微控制器。它支持各种AC-DC和DC-DC电力转换拓扑，并提供多种封装选项。STM32G4的一个显著特点是，任何内部或外部事件都可以与其他外设同步，允许小块代码作为独立的状态机运行。在STM32G4x配置过程中，我们将详细探讨这一特性。
STM32G4微控制器的内部结构包括：支持1.7V到3.6V（典型值3.3V）的操作电压，最大时钟频率为170 MHz，7个内部比较器，6个内部运算放大器。它有5个ADC通道和一个12位DAC，4个内部DAC和3个外部DAC。对于调试，用户可以选择JTAG或SWD（串行线调试）。几乎所有GPIO引脚都可以配置为GPIO功能。如果没有被其他外设使用，几乎所有引脚都可以用作GPIO。高分辨率定时器可以生成多达12个PWM信号，并可以根据需要进行同步。此外，还有高级和基础定时器，用户可以根据需求进行配置。它还包括SPI、I2C、UART、CAN和USB通信外设。
到目前为止，我们已经介绍了STM32系列，突出了数字电力应用所需的关键外设，并提供了STM32G4微控制器的详细概述。开发应用可能看起来复杂，但STMicroelectronics提供了许多工具来协助。首先是STM32CubeMX，这是一个图形用户界面工具，帮助生成应用固件。它支持微控制器选择、引脚配置和外设初始化，并可以为IAR、Keil和STM32Cube IDE生成初始代码。下一节将重点介绍STM32CubeMX，展示如何初始化各种外设、配置微控制器引脚，并生成代码。
另一个关键工具是IDE（集成开发环境）。STM32CubeMX可以为IAR Systems、Keil和Eclipse IDEs生成初始工作区。IAR Systems是商业产品，Keil提供试用版，而Eclipse是免费的。IDE对应用开发和调试至关重要。对于数字开关模式电源应用，还有一个名为Digital Power Workbench的工具，提供优化设计的步骤，包括功率阶段和控制回路设计。
在硬件平台方面，STM32G4微控制器提供了几个评估平台。第一类是STM32 Nucleo开发板，它们经济实惠且多功能。微控制器位于中央，所有GPIO引脚都可以通过ST Morpho和Arduino Uno连接器访问。这些开发板不需要外部调试器，因为调试器已集成在内。所有STM32G4 Nucleo开发板的详细信息可以在STM32CubeMX中找到，并且有多个基于Nucleo G4系列板的示例可以修改以适应特定应用。还有x Nucleo开发板可以安装在Nucleo开发板上，以实现各种应用。
第二类硬件平台是Discovery开发套件，旨在评估特定应用。例如，第一个套件评估USB Type-C连接器接口和升降压转换器应用，所有硬件和固件细节可在ST的网站上找到。第二个套件专门用于电机控制应用，集成了MOSFET和相关的栅极驱动器。
第三类是评估板，它们是完整的演示和开发平台，帮助用户改善应用开发并评估所有STM32G4外设。最后，还有STMicroelectronics的演变或参考板，可以视为完整的系统。针对数字开关模式电源应用，包括电池充电、电动汽车基础设施和电机控制等，有多个板可供选择。所有STM32 Nucleo开发板、Discovery开发套件和评估板均可从ST网站或分销商处购买。某些评估或参考板可以直接购买。有关所有评估或参考板的详细原理图和设计细节（包括磁性组件和固件应用）可以在ST网站上找到。
在接下来的部分中，我们将重点介绍两个特定的开发板：STDES-2KW5CH48，一款支持85V至265V输入和48V电池充电输出的2.5 kW充电板，具有连续导通模式PFC前端、DC-DC全桥LLC转换器阶段和整流功能。第二块板是一个高压全桥LLC转换器。在接下来的讨论中，我们将测试各种波形，敬请期待。
在前面的部分中，我们讨论了各种软件工具，包括STM32CubeMX，它不仅帮助微控制器选择、引脚配置和时钟管理，还生成初始化工作区和所有外设初始化的代码。我们还介绍了Digital Power Workbench和几种硬件平台，如STM32 Nucleo开发板、Discovery开发套件和评估板。各种固件示例已为STM32 Nucleo开发板和STM32G4评估板开发，以帮助理解外设或应用功能并加速产品开发。此外，还提供了详细的文档，可在 博斯克电子 查阅，以协助您的项目。
