一、晶振为什么没有封装进STM32芯片内部?

 有一些电子设备需要频率高度稳定的交流信号,而LC振荡器稳定性较差,频率容易漂移,即产生的交流信号频率容易变化。关于LC振荡器,可参考此文:一看就懂!动画讲解LC振荡器的工作原理。

    在振荡器中采用一个特殊的元件——石英晶体,可以产生高度稳定的信号,这种采用石英晶体的振荡器称为晶体振荡器,简称晶振,如下图是各种各样的晶振。

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    电子元器件的小型化趋势,有力促进了当下社会的发展进步,电子元器件越小,为主板节约的空间越大,因此,有人异想天开,如果能将晶振电路封装到IC芯片(如时钟芯片)内部将是多么完美,就如同有源晶振在无源晶振的基础内置振动芯片,就无需外部的电容电阻等元器件了。

    但实际出于各种原因,晶振并没有内置到IC芯片中。这究竟是为什么呢?

原因 1

    早些年,芯片的生产制作工艺也许还不能够将晶振做进芯片内部,但是现在可以了。这个问题主要还是实用性和成本决定的。

原因 2

    芯片和晶振的材料是不同的,芯片 (集成电路) 的材料是硅,而晶体则是石英 (二氧化硅),没法做在一起,但是可以封装在一起,目前已经可以实现了,但是成本就比较高了。

原因 3

    晶振一旦封装进芯片内部,频率也固定死了,想再更换频率的话,基本也是不可能的了,而放在外面, 就可以自由的更换晶振来给芯片提供不同的频率。

    有人说,芯片内部有 PLL,管它晶振频率是多少,用 PLL 倍频/分频不就可以了,那么这有回到成本的问题上来了,100M 的晶振集成到芯片里, 但我用不了那么高的频率,我只想用 10M 的频率,那我为何要去买你集成了 100M 晶振的芯片呢,又贵又浪费。

    我们通常所说的 "片内时钟", 是不是实际上片内根本没有晶振, 是有RC 振荡电路。

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    以上STM32的时钟框图,关于STM32时钟,推荐此文:详解STM32的时钟系统,收藏了

    可以看出STM32系统时钟的供给可以有3种方式:

  • HSI,高速内部时钟信号STM32单片机内带的时钟 (8M频率), 精度较差。
  • HSE,高速外部时钟信号,精度高。来源:HSE外部晶体/陶瓷谐振器(晶振)HSE用户外部时钟  
  • PLL,低速外部晶体32.768kHz主要提供一个精确的时钟源 一般作为RTC时钟使用。

    如果选用内部时钟作为系统时钟,其倍频达不到72Mhz,最多也就8Mhz/2*16 = 64Mhz。

    如果使用内部RC振荡器而不使用外部晶振,请按照如下方法处理:

1)对于100脚或144脚的产品,OSC_IN应接地,OSC_OUT应悬空。

2)对于少于100脚的产品,有2种接法:

  • OSC_IN和OSC_OUT分别通过10K电阻接地。此方法可提高EMC性能。
  • 分别重映射OSC_IN和OSC_OUT至PD0和PD1,再配置PD0和PD1为推挽输出并输出'0'。此方法可以减小功耗并(相对上面i)节省2个外部电阻。

    时钟是STM32单片机的脉搏,是单片机的驱动源。

    使用任何一个外设都必须打开相应的时钟。这样的好处就是,如果不使用一个外设的时候,就把它的时钟关掉,从而可以降低系统的功耗,达到节能,实现低功耗的效果。









二、DC/DC电源电路的PCB Layout技巧

 在DC-DC芯片的应用设计中,PCB布板是否合理对于芯片能否表现出其最优性能有着至关重要的影响。不合理的PCB布板会造成芯片性能变差如线性度下降(包括输入线性度以及输出线性度)、带载能力下降、工作不稳定、EMI辐射增加、输出噪声增加等,更严重的可能会直接造成芯片损坏。

    一般DC-DC芯片的使用手册中都会有其对应的PCB布板设计要求以及布板示意图,本次我们就以同步BUCK芯片为例简单讲一讲关于DC-DC芯片应用设计中的PCB Layout设计要点。

1、关注芯片工作的大电流路径

    DC-DC芯片布板需遵循一个非常重要的原则,即开关大电流环路面积尽可能小。下图所示的BUCK拓补结构中可以看到芯片开关过程中存在两个大电流环路。红色为输入环路,绿色为输出环路。每一个电流环都可看作是一个环路天线,会对外辐射能量,引起EMI问题,辐射的大小与环路面积呈正比。

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    注意:当芯片引脚设置不足以让我们同时兼顾输入环路与输出环路最小时,对于BUCK而言,应优先考虑输入部分回路布线最优化。因为输出回路中电流是连续的,而输入回路中电流是跳变的,会产生较大的di/dt,会引起EMI问题的可能性更高。如果是BOOST芯片,则应优先考虑输出回路布线最优化。

2、输入电容的配置

  • 对于BUCK芯片而言,要想使输入环路尽可能小,输入电容应尽可能靠近芯片引脚放置
  • 为了让电容滤波效果更好,让电源先经过输入电容,再进入芯片内部
  • CIN 使用的大容量电容器,一般情况下频率特性差,所以要与 CIN 并联频率特性好的高频率去耦电容器 CBYPASS 
  • 电流容量小的电源(IO≤1A)场合,容量值也变小,所以有时可用1个陶瓷电容器兼具CIN 和 CBYPASS 功能

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3、电感的配置

  • 对于BUCK芯片而言,要想使输入环路尽可能小,电感要靠近芯片SW引脚放置
  • 以覆铜方式走线减小寄生电感、电阻
  • SW节点要以最小面积处理大电流,防止铜箔面积变大会起到天线的作用,使 EMI 增加
  • 电感附近不要走敏感信号线
  • 自举电路这一块,自举电路要尽量去靠近 SW pin 脚来缩短整个高频的流通路径

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    附上温升10℃时,PCB板的线宽、覆铜厚度与通过电流的对应关系供参考。

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4、输出电容的配置

  • 降压转换器中,由于向输出串联接入电感器,所以输出电流平滑
  • 输出电容靠近电感放置

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5、反馈路径的布线

  • 通常FB反馈网络处的分压电阻都采用K级,10K级或上百K的阻值,阻值越大,越容易受干扰,应远离各种噪声源如电感、SW、续流二极管等
  • FB、COMP脚的信号地尽可能地与走大电流的功率地隔离开,然后进行单点相连,尽量不要让大电流信号的地 去干扰到小信号电流的地
  • FB的分压电阻要从VOUT上进行采样,采样点要靠近输出电容处才能获得更准确的实际输出电压值

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