STM32G4/H7 数字电源应用分享 廖科盛 MDG 产品部 意法半导体亚太区
议程 # STM32 针对数字电源应用的产品方阵 # 数字电源成功应用案例简介 # STM32G4/H7 应用中优势特性 2
STM32 针对数字电源的产品方阵
STM32 针对能源与工业应用的产品方阵 MPUs STM32MP1 4158 CoreMark 650/800 MHz Cortex -A7 209 MHz Cortex -M4 高性能 MCUs STM32F2 398 CoreMark 120 MHz STM32F4 608 CoreMark 180 MHz STM32H7 3224 CoreMark 240 MHz Cortex -M4 480 MHz Cortex -M7 STM32F7 1082 CoreMark 216 MHz 主流 MCUs STM32F0 106 CoreMark 48 MHz STM32G0 142 CoreMark 64 MHz STM32F1 177 CoreMark 72 MHz STM32F3 245 CoreMark 72 MHz STM32G4 550 CoreMark 170 MHz 超低功耗 MCUs STM32L0 75 CoreMark 32 MHz STM32L1 93 CoreMark 32 MHz STM32L5 442 CoreMark 110 MHz STM32L4 273 CoreMark 80 MHz STM32L4+ 409 CoreMark 120 MHz 无线 MCUs STM32WL 161 CoreMark 48 MHz STM32WB 216 CoreMark 64 MHz Arm Cortex core -M0 -M0+ -M3 -M33 -M4 -M7 dual -A7& -M4 HRTIMER 专业针对数字电源应用 4
STM32 主流型 : 数字电源控制 MCU 演变 STM32F334 CM4@72MHz 高精度定时器 V1 (10ch 217ps) STM32G474 CM4@170MHz 数学运算加速器 高精度定时器 V2 (12ch 184ps) STM32H745/725 CM7@550MHz 数学运算加速器 高精度定时器 V2 (12ch 2.2ns) 数字电源
STM32G4/H7 数字电源应用推荐 数字电源应用 存储 数字电源 2MB 512KB STM32H74x 2.2ns STM32G474 184ps 高精度 PWM 32KB STM32F334 217ps 32-pin 128-pin Pin Count 6
数字电源成功应用案例简介
通信 / 服务器电源 高精度定时器 丰富的模拟外设 (ADC/COMP/DAC) 快速计算要求 通讯接口 (CAN) 环境温度 125 度 8
不间断电源 (UPS) AC/DC PFC DC/AC Inverter 高精度定时器 Line input MOS Bridge Driver BA T MOS Bi-DC/DC MOS Bridge Driver Driver V/I Sensor V/I PWM PWM V/I V/I AC output 多通道 PWM 丰富模拟外设 (ADC/COMP/DAC) 快速计算要求 (Cordic) 多种通讯接口 环境温度 125 度 PWM STM32H743/ STM32G474 9
太阳能逆变器 复杂 PWM 产生机制 快速计算要求 丰富外设需求 双 bank, 大容量 Flash RAM 大型光伏电站 10
STM32G4/H7 在应用中优势特性
STM32G4 系列 关键词 性能 Arm Cortex -M4 at 170 MHz 213 DMIPS and 550 CoreMark results 优化动态功耗 (163µA/MHz) 丰富的内置数模外设 运放 ( 内置增益 ), DACs, 比较器 12-bit ADCs 4Msps ( 硬件过采样 16bit) CAN-FD (up to 8Msps bit rate) 功能安全与信息安全 双 Bank Flash 支持 ECC (error code correction) 安全存储区域 硬件加密 AES-256 SIL, Class-B SRAM 支持奇偶校验 完整的产品目录 补充已有 STM32F3 系列产品目录 环境温度范围 -40dC 至 85 or 125dC ART Accelerator ( 动态缓存 ) 数学运算加速器 ( 三角函数 + 数字滤波 ) CCM-SRAM Routine Booster ( 静态缓存 ) 高精度定时器 V2 (184 皮秒 ) USB type-c Power Delivery3.0 1% 精度内置 RC (-5~90dC), 2%( 全温度范围 ) 安全在线升级 功能安全设计包 从 32 至 128-pin 从 32KB 至 512KB Flash 12
降低 PCB 尺寸和 BOM 成本 DACs Filters 片上系统一体化方案 更小封装更少外置器件更多集成模拟外设 Temperature sensor RTC XTAL Op Amps Standard MCU STM32G4 ADCs Comparators 项目成本 $$$ 项目成本 $ 13
丰富和先进模拟外设 为广泛多样的应用场景提供数模混合信号 SoC ADC (up to 5) 拓扑采样率输入偏移与降噪补偿 Values SAR 12-bit + 硬件过采样 16-bit Up to 4 Msps 单端输入与差分输入 自动校准以降低噪音与偏移 运放 (up to 6) 带宽斜率偏置可编程放大倍数 ( 精度 ) Values 13 MHz 45 V/µs 3mV 全温度范围 1.5mV @ 25 C 2, 4, 8, 16, -1,-3,-7,-15 (1%) 32, 64, -31,-63 (2%) DAC (up to 7) 采样率 稳定时间 Values 15 Msps ( 内部输出 ) 1Msps ( 带缓冲输出 ) 16ns 比较器 (up to 7) Values 电压范围 1.62.. 3.6V 传播延迟 16.7ns 偏置 -6.. +2 mv 8 steps: 滞回补偿 0, 9, 18, 27, 36, 45, 54, 63 mv 14
STM32G4: 性能更高, 外设更丰富 G4 产品线 参数 STM32G474 高精度 PWM 型 STM32G473 性能型 STM32G431 入门型 STM32G491 入门型 内核, 主频 Arm Cortex-M4, 170 MHz Flash (max) 512 Kbytes (2x256KB dual bank) 128 Kbytes single bank 512 Kbytes single bank RAM (up to) 96 Kbytes 22 Kbytes 96 Kbytes CCM-SRAM(code-SRAM) 32 Kbytes 10 Kbytes 16 Kbytes 12-bit ADC SAR 5x 12-bit 4 MSPS 2x 12-bit 4 MSPS 3x 12-bit 4 MSPS 比较器 7 4 4 运放 1% 精度 6 3 4 12-bit DAC 7 4 4 高级电机控制定时器 3x (170 MHz) 2x (170 MHz) 3x (170 MHz) CAN-FD 3x 1x 2x 高精度定时器 1x - - - 供电范围 1.72 to 3.6 V 15
Arm Cortex-M7 @ 280 MHz Arm Cortex-M7 @ 480 MHz Arm Cortex-M7 @ 550 MHz Arm Cortex-M7 + M4 Dual Core @ 480 MHz & 240 MHz 高性能产品组合 CoreMark 3200 3000 2800 2600 2778 2424+800 2400 2200 2000 1800 1600 2400 1400 1200 1414 1000 1082 800 600 400 608 200 298 STM32F2 STM32F4 STM32F7 STM32H7 STM32H7 STM32H7 STM32H7 16
STM32H7 各产品应用定位 STM32H743 单核 480MHz 及丰富的资源, 适用于工业 医疗及消费类应用 STM32H745 双核架构 125 度耐温以及强大的运算能力, 适应于工业应用的苛刻环境 STM32H747 内置 MIPI DSI, 满足同时需要高性能及显示要求的应用 STM32H7A3 内置大容量 1.4MB SRAM 及低功耗, 适用于家电及工控显示应用 STM32H723 单核性能最强, 高性价比, 适用于工业 医疗及消费类成本敏感型应用 最新推出
STM32H7 主性能 STM32H74x Cortex-M7 480MHz 主频 双核 Cortex-M4 240MHz ( 仅 STM32H7x5/H7x7 系列 ) 2400 Coremark, 1027DMIPS 16KB I-Cache+16KB D-Cache 64KB ITCM 和 128KB DTCM 快速访问内存 64 位 AXI 总线, 最高总线速率达到 240MHz 双精度浮点运算单元 2MB 内部 Flash 双区设计 可不停机升级 每页 128KB, 带 ECC 校验 1MB SRAM ITCM: 64KB DTCM: 128KB AXI RAM:512KB AHB RAM1+2+3:288KB 低功耗域 SRAM4:64KB 备份 SRAM:4KB 全部 SRAM 都带有 ECC 校验 STM32H72x Cortex-M7 @550MHz 2777 Coremark,1177 DMIPS 16KB I-Cache+16KB D-Cache 128KB DTCM 共享型 ITCM, 可配置为 64KB~256KB 64 位 AXI 总线, 最高运行速度 275MHz 双精度浮点运算单元 1MB Flash 全部 Flash 空间带 ECC 校验 每页 128KB 564KB SRAM DTCM: 128KB ITCM: 64KB~256KB 共享式 SRAM AXI RAM: 128KB + 多达 192KB AHB SRAM1+2: 16KB 低功耗域 SRAM4: 16KB 备份 RAM: 4KB 全部 SRAM 都带有 ECC 校验 18
STM32H7 系列外设 H7 系列 ADC STM32H74x 3x 16-bit @3.6MSPS(36ch) STM32H72x 2x 16-bit@3.6MSPS(24ch) 1x 12-bit@5MSPS COMP/DAC/OPAMP 2/1/2 2/1/2 HRtimer YES NO FMAC/Cordic NO YES Timers Basic/General/Advance 2/10/2 2/10/2 IIC/SPI 4/6 5/6 CAN 2x FDCAN 3x FDCAN Ethernet Yes Yes USB OTG 2(1HS/FS,1FS) 1HS/FS Chrome-ART(DMA2D) Yes Yes TFT-LCD Yes Yes DFSDM 1x(8ch/filters) 1x(8ch/8filter) and 1x(2ch/1filter) MDMA/BDAM/DMA 1/1/2 1/1/2 19
Hrtimer 不仅仅是高精度而已 12 通道 PWM 信号输出, 频率和占空比精度可高达 184ps 184ps 相当于 5.4GHz 定时器时钟 自带电压与温度补偿, 保证精度不漂移 高精度 PWM 7 个独立时钟计数器 (1 主 +6 从 ), 可相互配合生成灵活多样的 PWM 波形 可灵活配置成 6 组互补输出的 PWM 对 内置信号枢纽 Crossbar, 单个 PWM 周期内最多可达 32 个 set/reset 转换 灵活角色可配 Master/Slave, 更适合多项控制 6 个模拟与数字的错误输入源 10 个事件输入源 高灵活度 PWM 多事件响应 事件响应可配置 : 计数响应, 窗口内连续事件响应等 可支持任意一种常见拓扑 : 1x 12 PWM ( 三相交错 LLC) 12x 1 PWM ( 多相独立 buck 调光控制器 ) 12 个独立输出通道 每一路定时器均有可配置参数的 DMA, 整个 HRTIM 单元亦有高级 DMA 功能, 可部分或整体更新参数设置 20
更高安全性 Integrated security features, ready for tomorrow s needs Bank1 User Flash Bank2 Securable Memory Area Securable Memory Area Securable Memory Area: Configurable size Can be secured once exiting No more access nor debug possible Good fit to store critical data Critical routines Keys 21
让数字电源设计更简单 通信电源 无线充电 焊机 STM32G4 工业 不间断电源 (UPS) 功率因数校正 (PFC) 增强您的数字电源方案, 使用 STM32G474 STM32F334 STM32H74x/ STM32H75x 全功能高精度定时器 (HRTIM) 184ps 精度 高灵活度 PWM 波形配置 丰富的事件管理 极速的故障保护 电机控制 照明 光伏逆变器 服务器数据中心电源 22
更加性能 纯 170 MHz CPU 性能 (Arm Cortex -M4) 配备三个加速器 Number of Wait States CPU Clock (MHz) 0 1 2 3 4 34 68 102 136 170 Arm Cortex-M4 with FPU 高达 170 MHz CPU 频率高达 213 DMIPS & 550 CoreMark 结果 3 个不同硬件加速器 : ART 加速器 (~ 动态缓存 ) 全代码加速 ( 平均 ) 常规增压器 CCM-SRAM (~ 静态缓存 ) 保留决定论 数学 (Cordic + FMAC) 23
模块化架构 : 一个主控单元和 6 个可交叉同步的定时器子单元 HRTIM 概述 F3 & G4 系列 数字 @170MHz 其次是模拟 DLL 高分辨率 所有输出为 184 ps 自我补偿 无温度 /Vdd 漂移 高达 12 PWMs 输出 7 on G4 存在多个故障 / 事件 软件最小化 复杂事件处理 空白 / 窗口 / 超时 6 (one more on G4) STM32 G4 系列上还有一个定时器单元 (F) 24
Digital feedback Analog feedbacks Shaped for control 设定点 + - - ARM Cortex-M4 core @ 170 MHz FPU Enhance dynamics No scaling overhead No saturation DSP (fast MAC) SIMD Parallel processing Low interrupt latency PWM Timers * 170 MHz (5.9 ns) * HRTIM (184 ps) PWM PLANT ST s product architecture ART accelerator Wait state removal CCM-SRAM accelerator Real time execution Math accelerator Cordic (Trigo) FMAC (Filtering) Direct HW path (no latency) Instantaneous control load Protection + 7xComp - 7xDAC Multiple fast Comparators 由于高外设互连和灵活的总线矩阵, 模拟和数字资源易于使用 5x 12-bit 4Msps ADC SAR (no pipeline delay) Low latency (250 ns) Low aperture time (20 ns) for snapshot measurements Simultaneous sampling on multiple ADCs HW oversampling 6x PGA High BdW Low offset Prog. Gain Other Timers Quad encoder Hall-effect sensors 25
数学加速器 功能加速和 CPU 卸载 1. Cordic (Trigo) 对磁场定向电机的控制方法很有帮助 (FOC) 矢量旋转 ( 极坐标到矩形 ): Sin, Cos 矢量平移 ( 矩形到极坐标 ): Atan2, Modulus Sinh, Cosh, Exp Atan, Atanh 平方根 Ln FIR 滤器 IIR 滤器 2. Filter Math ACcelerator (FMAC) 可用于创建 3p3z 补偿器 ( 数字电源 ) -Δ 调制器 噪声整形器 26
Cordic 精度 Function Number of clock cycles for (at least) 16-bit precision Maximum precision Sin,Cos,Phase,Mod,Atan 4 20-bit (6 cycles) Sinh,Cosh,Atanh,Ln 5 19-bit (6 cycles) Sqrt 3 20-bit (3 cycles) 27
Cordic 更多细节 28
数学加速器 :FMAC 功能加速与减轻 CPU 负担 数字滤波加速器 (FMAC) ADC 可被用于生成 FIR,IIR Ref + - x[n] Compensator Hc(z) y[n] PWM Converter Ha(s) Vout 补偿器 ( 数字电源三极点三零点 3p3z) FIR 滤波器 IIR 滤波器 Ex: 3P3Z Hc(z) = Y(z) X(z) = b 3z -3 + b 2 z -2 + b 1 z -1 + b 0 a 3 z -3 + a 2 z -2 + a 1 z -1 + 1 Vin PWM Ex: Buck converter Vout y[n] = b 0 x[n] + b 1 x[n-1] + b 2 x[n-2] + b 3 x[n-3] - a 1 y[n-1] - a 2 y[n-2] - a 3 y[n-3] Direct Form 1: b 0 x[n] Z -1 b 1 -a 1 Z -1 y[n] FMAC configuration: X1_BUF_SIZE 5, X2_BUF_SIZE = 7, Y_BUF_SIZE 4 Preload X2_BUF : [b0,b1,b2,b3,a1,a2,a3] x[n-1] y[n-1] Run IIR filter with parameters: P = 4, Q = 3 x[n-2] Z -1 Z -1 b 2 b 3 -a 2 -a 3 Z -1 Z -1 y[n-2] Repeat: Write x[n] to WDATA Poll YEMPTY flag low or wait for interrupt (~8 clock cycles) Read y[n] from RDATA x[n-3] y[n-3] 29
FMAC 实施 D-Power 降压转换器示例 Zoom next slide 中断请求 降压转换器 200kHz 开关频率 ADC 在高边上升沿触发 参考应用手册 AN5305 30
223ns 执行时间, 包括 ISR 进和出 少于 5% CPU @ 200kHz 开关频率 FMAC 结果 D-Power 降压转换器示例 Trigger ADC Idle DMA FMAC Interrupt request ISR Idle 硬件 ADC: 264ns FMAC (inc. DMA): 200ns 总延迟 : 464ns 软件任务 (CPU) FMAC 读出写入 HRTIM 31
参考文档 高精度定时器 HRTIMER AN4539: HRTIM Cookbook - How to operate the Hi-Resolution timer in different topology 数学加速器 Cordic AN5325:Getting started with the CORDIC accelerator using STM32CubeG4 MCU Package 数学加速器 FMAC AN5305:Digital filter implementation with the FMAC using STM32CubeG4 MCU Package 32
更多资源. community.st.com www.st.com/stm32g4 www.st.com/stm32h7 STM32G4 Online Training wiki.st.com/stm32mcu github.com/stmicroelectronics STM32G4 blog articles
了解更多信息, 请访问 www.st.com STMicroelectronics - 保留所有权利 ST 徽标是 STMicroelectronics STMicroelectronics - All International rights reserved. NV 或其附属公司在欧盟和 / 或其他国家的商标或注册商标 若需意法半导体商标的更多信息, 请参考 ST logo is a trademark or a registered trademark of STMicroelectronics International NV or its affiliates in the EU and/or other countries. www.st.com/trademarks For additional information about ST trademarks, please refer to www.st.com/trademarks. 其他所有产品或服务名称是其各自所有者的财产 All other product or service names are the property of their respective owners.