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发现使用MAX17506和STM32F446RE的降压转换魔力

降低电压,但增加电流!

Buck 5 Click with Nucleo 64 with STM32F446RE MCU

已发布 10月 08, 2024

点击板

Buck 5 Click

开发板

Nucleo 64 with STM32F446RE MCU

编译器

NECTO Studio

微控制器单元

STM32F446RE

我们的转换器旨在在降低输入电压的同时高效地保持稳定性能,为您的设备提供最佳电源管理。

A

A

硬件概览

它是如何工作的?

Buck 5 Click 配备了 Analog Devices 的 MAX17506,这是一款高效的带有内部补偿的同步降压 DC/DC 转换器。得益于内部反馈环路补偿,该先进的降压转换器 IC 仅需要最少量的外部组件。它采用峰值电流模式控制架构。当高侧 MOSFET 打开且电感器电流上升时,过流事件将导致 MOSFET 关闭,防止电流变得过高。如果输出端发生短路情况,设备将在超时后重新尝试启动,如果输出端仍存在这种情况,它将再次关闭一个超时时间。Analog Devices 制造的 MAX5401 是一款带有 SPI 接口的 256 步数字电位器,用于反馈环路,通过 SPI 接口调整输出电压。它取代了 MAX17506 参考设计中的固定电压分压器,从而以编程方式调节输出电压。因此,通过 SPI 接口向 MAX5401 发送数字值可以控制输出电压水平,范围从 0.9V 到 5.5V。在正常操作(PWM 模式)下,高侧和低侧 MOSFET 与内部 PWM 生成器的信号同步切换,导致电感器电流上下波动,从而调

节输出电压。PWM 信号的较低脉宽(占空比)导致输出电压较低。低侧 MOSFET 放置在 IC 外部,减少了 DC/DC 转换器 IC 的功耗。除了 PWM 模式,设备还可以在 PFM 模式(脉冲频率调制)下工作。此模式允许在轻负载下获得更高的效率,因为低侧 MOSFET 完全不使用。高侧 MOSFET 为电感器充电,让负载放电。在此期间,IC 处于休眠状态。此模式导致输出端有轻微的波动,但对于轻负载具有高效率的优点,非常适合为低功耗模式(睡眠、待机等)中的设备供电。DCM 模式是 PWM 和 PFM 模式之间的折中模式。对于轻负载,低侧 MOSFET 仍未使用,但 PWM 脉冲不会被跳过,IC 会不断驱动高侧 MOSFET。此模式在输出端产生波动,但对于轻负载效率略低于 PFM 模式。MODE/SYNC 引脚选择不同的模式。IC 默认通过上拉电阻设置为 DCM 模式。IC 的 MODE/SYNC 引脚连接到 mikroBUS™ 的 PWM 引脚(标记为 SYN),允许 MCU 控

制模式。当此引脚设置为低电平时,设置为恒定频率 PWM 模式。同一引脚(MODE/SYNC)在需要时可以同步转换器 IC 的开关频率(fs)。39K 电阻将此频率确定为约 480 kHz。然而,频率可以与 1.1 x fs 到 1.4 x fs 的外部源同步。IC 的 #RESET 引脚连接到 mikroBUS™ 的 RST 引脚。当输出电压下降到标称值的 92% 以下或在热关断期间,此引脚被驱动到低电平。当未断言时,它是一个开漏输出,通常被拉到高电平。要启用降压转换器 IC,需要在 IC 的 EN 引脚(连接到 mikroBUS™ 的 AN 引脚,标记为 EN)上存在高电平。这允许 MCU 有效地控制 Click board™ 的电源开启功能。当 IC 启用时,标记为 EN 的 LED 指示灯表示 IC 已激活且降压转换正在进行。软启动电路通过将输出电压从 0V 缓慢上升到标称值来防止高涌入电流。

Buck 5 Click hardware overview image

功能概述

开发板

Nucleo-64 搭载 STM32F446RE MCU 提供了一种经济高效且灵活的平台,供开发者探索新想法并原型设计他们的项目。该板利用 STM32 微控制器的多功能性,使用户能够为他们的项目选择最佳的性能与功耗平衡。它配备了 LQFP64 封装的 STM32 微控制器,并包含了如用户 LED(同时作为 ARDUINO® 信号)、用户和复位按钮,以及 32.768kHz 晶体振荡器用于精确的计时操作等基本组件。Nucleo-64 板设计考虑到扩展性和灵活性,它特有的 ARDUINO® Uno

V3 扩展连接器和 ST morpho 扩展引脚头,提供了对 STM32 I/O 的完全访问,以实现全面的项目整合。电源供应选项灵活,支持 ST-LINK USB VBUS 或外部电源,确保在各种开发环境中的适应性。该板还配备了一个具有 USB 重枚举功能的板载 ST-LINK 调试器/编程器,简化了编程和调试过程。此外,该板设计旨在简化高级开发,它的外部 SMPS 为 Vcore 逻辑供电提供高效支持,支持 USB 设备全速或 USB SNK/UFP 全速,并内置加密功能,提升了项目的功效

和安全性。通过外部 SMPS 实验的专用连接器、 用于 ST-LINK 的 USB 连接器以及 MIPI® 调试连接器,提供了更多的硬件接口和实验可能性。开发者将通过 STM32Cube MCU Package 提供的全面免费软件库和示例得到广泛支持。这些,加上与多种集成开发环境(IDE)的兼容性,包括 IAR Embedded Workbench®、MDK-ARM 和 STM32CubeIDE,确保了流畅且高效的开发体验,使用户能够充分利用 Nucleo-64 板在他们的项目中的能力。

Nucleo 64 with STM32F446RE MCU double side image

微控制器概述 

MCU卡片 / MCU

default

建筑

ARM Cortex-M4

MCU 内存 (KB)

512

硅供应商

STMicroelectronics

引脚数

64

RAM (字节)

131072

你完善了我!

配件

Click Shield for Nucleo-64 配备了两个专有的 mikroBUS™ 插座,使得所有的 Click board™ 设备都可以轻松地与 STM32 Nucleo-64 开发板连接。这样,Mikroe 允许其用户从不断增长的 Click boards™ 范围中添加任何功能,如 WiFi、GSM、GPS、蓝牙、ZigBee、环境传感器、LED、语音识别、电机控制、运动传感器等。您可以使用超过 1537 个 Click boards™,这些 Click boards™ 可以堆叠和集成。STM32 Nucleo-64 开发板基于 64 引脚封装的微控制器,采用 32 位 MCU,配备 ARM Cortex M4 处理器,运行速度为 84MHz,具有 512Kb Flash 和 96KB SRAM,分为两个区域,顶部区域代表 ST-Link/V2 调试器和编程器,而底部区域是一个实际的开发板。通过 USB 连接方便地控制和供电这些板子,以便直接对 Nucleo-64 开发板进行编程和高效调试,其中还需要额外的 USB 线连接到板子上的 USB 迷你接口。大多数 STM32 微控制器引脚都连接到了板子左右边缘的 IO 引脚上,然后连接到两个现有的 mikroBUS™ 插座上。该 Click Shield 还有几个开关,用于选择 mikroBUS™ 插座上模拟信号的逻辑电平和 mikroBUS™ 插座本身的逻辑电压电平。此外,用户还可以通过现有的双向电平转换器,使用任何 Click board™,无论 Click board™ 是否在 3.3V 或 5V 逻辑电压电平下运行。一旦将 STM32 Nucleo-64 开发板与我们的 Click Shield for Nucleo-64 连接,您就可以访问数百个工作于 3.3V 或 5V 逻辑电压电平的 Click boards™。

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image

使用的MCU引脚

mikroBUS™映射器

Enable
PC0
AN
Voltage Monitor Output
PC12
RST
SPI Chip Select
PB12
CS
SPI Clock
PB3
SCK
NC
NC
MISO
SPI Data IN
PB5
MOSI
Power Supply
3.3V
3.3V
Ground
GND
GND
Mode Selection
PC8
PWM
NC
NC
INT
NC
NC
TX
NC
NC
RX
NC
NC
SCL
NC
NC
SDA
NC
NC
5V
Ground
GND
GND
1

“仔细看看!”

Click board™ 原理图

Buck 5 Click Schematic schematic

一步一步来

项目组装

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image hardware assembly

从选择您的开发板和Click板™开始。以Nucleo 64 with STM32F446RE MCU作为您的开发板开始。

Click Shield for Nucleo-64 accessories 1 image hardware assembly
Nucleo 64 with STM32F401RE MCU front image hardware assembly
LTE IoT 5 Click front image hardware assembly
Prog-cut hardware assembly
LTE IoT 5 Click complete accessories setup image hardware assembly
Nucleo-64 with STM32XXX MCU Access MB 1 Mini B Conn - upright/background hardware assembly
Necto image step 2 hardware assembly
Necto image step 3 hardware assembly
Necto image step 4 hardware assembly
Necto image step 5 hardware assembly
Necto image step 6 hardware assembly
Clicker 4 for STM32F4 HA MCU Step hardware assembly
Necto No Display image step 8 hardware assembly
Necto image step 9 hardware assembly
Necto image step 10 hardware assembly
Debug Image Necto Step hardware assembly

实时跟踪您的结果

应用程序输出

1. 应用程序输出 - 在调试模式下,“应用程序输出”窗口支持实时数据监控,直接提供执行结果的可视化。请按照提供的教程正确配置环境,以确保数据正确显示。

2. UART 终端 - 使用UART Terminal通过USB to UART converter监视数据传输,实现Click board™与开发系统之间的直接通信。请根据项目需求配置波特率和其他串行设置,以确保正常运行。有关分步设置说明,请参考提供的教程

3. Plot 输出 - Plot功能提供了一种强大的方式来可视化实时传感器数据,使趋势分析、调试和多个数据点的对比变得更加直观。要正确设置,请按照提供的教程,其中包含使用Plot功能显示Click board™读数的分步示例。在代码中使用Plot功能时,请使用以下函数:plot(insert_graph_name, variable_name);。这是一个通用格式,用户需要将“insert_graph_name”替换为实际图表名称,并将“variable_name”替换为要显示的参数。

软件支持

库描述

该库包含用于 Buck 5 Click 驱动程序的 API。

关键功能:

  • buck5_power_on - 唤醒芯片的功能

  • buck5_reset - 重置芯片的功能

  • buck5_set_output_voltage - 设置输出电压的功能,最大输出电压为 5.5V(设置值为 255),最小输出电压为 1V(设置值为 0)

开源

代码示例

完整的应用程序代码和一个现成的项目可以通过NECTO Studio包管理器直接安装到NECTO Studio 应用程序代码也可以在MIKROE的GitHub账户中找到。

/*!
 * \file 
 * \brief Buck5 Click example
 * 
 * # Description
 * Buck 5 Click is a high-efficiency buck DC/DC converter, which can provide digitally 
 * adjusted step-down voltage on its output while delivering a considerable amount of current. 
 * Buck 5 Click accepts a wide voltage range on its input - from 5V to 30V. The output voltage 
 * may be adjusted via the SPI interface, in the range from 0.9V to approximately 5.5V.
 *
 * The demo application is composed of two sections :
 * 
 * ## Application Init 
 * Initializes driver init, and enables the Click board.
 * 
 * ## Application Task  
 * Increases the output voltage by 500mV every 3 seconds from MIN to MAX VOUT.
 * 
 * \author MikroE Team
 *
 */
// ------------------------------------------------------------------- INCLUDES

#include "board.h"
#include "log.h"
#include "buck5.h"

// ------------------------------------------------------------------ VARIABLES

static buck5_t buck5;
static log_t logger;

// ------------------------------------------------------ APPLICATION FUNCTIONS

void application_init ( void )
{
    log_cfg_t log_cfg;
    buck5_cfg_t cfg;

    /** 
     * Logger initialization.
     * Default baud rate: 115200
     * Default log level: LOG_LEVEL_DEBUG
     * @note If USB_UART_RX and USB_UART_TX 
     * are defined as HAL_PIN_NC, you will 
     * need to define them manually for log to work. 
     * See @b LOG_MAP_USB_UART macro definition for detailed explanation.
     */
    LOG_MAP_USB_UART( log_cfg );
    log_init( &logger, &log_cfg );
    log_info( &logger, "---- Application Init ----" );

    //  Click initialization.

    buck5_cfg_setup( &cfg );
    BUCK5_MAP_MIKROBUS( cfg, MIKROBUS_1 );
    buck5_init( &buck5, &cfg );

    buck5_power_on( &buck5 );
    buck5_reset( &buck5 );
}

void application_task ( void )
{
    buck5_set_output_voltage( &buck5, BUCK5_VOLTAGE_MIN );
    log_printf( &logger, "VOUT: MIN\r\n" );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );
    buck5_set_output_voltage( &buck5, BUCK5_VOLTAGE_1000mV );
    log_printf( &logger, "VOUT: ~1V\r\n" );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );
    buck5_set_output_voltage( &buck5, BUCK5_VOLTAGE_1500mV );
    log_printf( &logger, "VOUT: ~1.5V\r\n" );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );
    buck5_set_output_voltage( &buck5, BUCK5_VOLTAGE_2000mV );
    log_printf( &logger, "VOUT: ~2V\r\n" );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );
    buck5_set_output_voltage( &buck5, BUCK5_VOLTAGE_2500mV );
    log_printf( &logger, "VOUT: ~2.5V\r\n" );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );
    buck5_set_output_voltage( &buck5, BUCK5_VOLTAGE_3000mV );
    log_printf( &logger, "VOUT: ~3V\r\n" );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );
    buck5_set_output_voltage( &buck5, BUCK5_VOLTAGE_3500mV );
    log_printf( &logger, "VOUT: ~3.5V\r\n" );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );
    buck5_set_output_voltage( &buck5, BUCK5_VOLTAGE_4000mV );
    log_printf( &logger, "VOUT: ~4V\r\n" );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );
    buck5_set_output_voltage( &buck5, BUCK5_VOLTAGE_4500mV );
    log_printf( &logger, "VOUT: ~4.5V\r\n" );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );
    buck5_set_output_voltage( &buck5, BUCK5_VOLTAGE_5000mV );
    log_printf( &logger, "VOUT: ~5V\r\n" );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );
    buck5_set_output_voltage( &buck5, BUCK5_VOLTAGE_MAX );
    log_printf( &logger, "VOUT: MAX\r\n" );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );
    Delay_ms ( 1000 );
}

int main ( void ) 
{
    /* Do not remove this line or clock might not be set correctly. */
    #ifdef PREINIT_SUPPORTED
    preinit();
    #endif
    
    application_init( );
    
    for ( ; ; ) 
    {
        application_task( );
    }

    return 0;
}


// ------------------------------------------------------------------------ END

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