STM32H563核心板调试笔记（一）

前言

这是组里师兄负责的项目，以FPGA为数据采集核心，但还需要执行一些流程性的指令，因此还需要一个CPU。我们不用Zynq是因为它里面的CPU性能比较强，功耗比较高（其实我们没有人很懂Zynq，可以说这是我们选型的假设，现在选都选好了，你就承认吧）。而MCU部分组里也就我比较懂，于是我经过一番比较后，选择了STM32H5系列作为该项目逻辑上的核心控制器。

我们主要关心的是性能和接口，尤其是MCU与FPGA之间通信的接口。经过比较，我发现Octo-SPI可能比FSMC有更高的带宽，因为后者的外设缺少packing功能，从而每次传输只能传输至多16位数据，而传输频率大约可以达到CPU频率除以3到5（其实我不懂AMBA，凭经验估计的）。Octo-SPI的外设具有packing功能，即DMA传过来32位数据以后它可以分4次发8位出去，反之亦然，而它的对外传输速率可以达到CPU主频250 MHz，这是通过125 MHz时钟加上DDR实现的（他们称为DTR）。

再往上，8位可以扩展到16位，但这种名叫XSPI的外设只有少数高端型号的最大封装才有（具体而言，STM32H7R3L8H6H），BGA的，暂时不想碰。话说回来，我也有点担心H563的性能能否满足项目要求。哦对了，在H563的各种封装中我选择了144-pin封装的，因为144-pin才开始支持SDRAM，并且恰好ZIT6最便宜，30元一片。刚好我发现H723Z跟H563Z的pinout基本兼容，只有6个不兼容的引脚，我都分别做了基于0欧电阻的兼容性设计。

在PCB设计方面，我尽量把元器件都放在了顶层，但受限于面积还是有一部分放在了底层。我专门挑选一些本来就不打算让嘉立创SMT的元器件放在反面，包括DC/DC的电感、调试器的F103和各种运放（连选型都没想好呢），这样我就只用做单面SMT，选择经济型给导师省点钱，还可以用上一些优选合作料，省钱又省心。

144-pin的布线难度比我想象中高很多，以至于这一块板的设计花了我一周不止（全职）：10月17号立项，25号投产。4层还画不下，刚好体验一下6层板和盘中孔工艺。只可惜第一次做六层板，嘉立创就让我非常失望，因为原定交期29号，可实际上11月3号才发货。不知是什么原因，可能是PCB良率不高，第一批板子能上SMT的不足5片，于是只能再等一个盘中孔6层板的生产周期，才凑够了足够的PCB去做SMT。

SMT客服给的图，可是左上角才是我的板，有问题的板不是我的啊（经济型SMT只能拼版生产，这下一分价钱一分货了）

一波三折过后，终于在今天（11月5日）下午收到了我的第一块6层板。

全貌

电源管理相关电路，其中最大的电容是1206封装的，还有0805的电容和LED，0603的电阻，0402的电阻和电容等，这种密度已经不适合纯手工焊接了

注意红色标记处的盘中孔，在树脂塞孔工艺下几乎不可见，焊盘非常平整

在开始调试之前，先用小台锯把右边小板切下来。忘了说了，这块小板是用来连接左边的核心板和FPGA板的。

测试各电源对地有没有短路。如果有，就别费后面的工夫了，好好查设计图吧。好在没有。

电源管理

核心板支持USB一线通，包括调试、串口和供电，另有一路Type-C直接连接到H563，包括USB FS和PD，电压不超过20 V。这两路供电可以共存，因为前者输入端接了一个肖特基二极管。呃，事实上是4个并联，为了降低压降。

由于PD一路最高能达到20 V，只用LDO肯定是不合适了，因此电源管理的思路是在USB经过肖特基二极管和PD直接并联，先DC/DC，再LDO到3.3 V。这样一来，从USB的5 V到3.3 V中间要经过肖特基二极管、DC/DC和LDO三级压降。因此肖特基二极管才需要并联多个，DC/DC要选择同步型的（这里假设使用buck，不引入buck-boost），LDO也要压降比较小。

最终选择的型号如下：

DC/DC：TPS62933，3.8~30 V输入，3 A输出，开关频率200 kHz到2.2 MHz可调
LDO: TPS7A7001，1.425~6.5 V输入，2 A输出，输出电压可调

这个DC/DC不是很好找，常用型号都不行，因为需求是低至4 V、高至20 V输入，同步整流，开关频率不要太低（太低了我不喜欢）。这一级的输出设置为3.7 V。

为啥都选TI的？因为我是TI孝子（TI的MCU除外，MCU方面我是ST孝子）。

下面开始动手。先焊接反面电感，焊接各排针。USB先不连，通过排针给输入5 V，成功得到3.7 V输出。

板上有一个电路监测输入电压，当电压超过6 V时，典型情况为PD握手成功，则会有一红灯亮起。这一功能可以用一颗TL431实现，在这块板上我用的是CJ431，因为它不要换料费。

VIN电压检测电路，当VIN>6 V时LED亮起，VPWR为DC/DC产生的3.7 V

工作原理：431的控制端（左）电压小于2.5 V（典型值）时，图示的“稳压二极管”关断，LED不亮；大于2.5 V时，导通，LED亮。

实测发现当电压低于6 V灯也会微亮，而高于6 V后亮度也不会变化得太明显。经测试，发现CJ431的导通电压达到1.8 V（即图中K极电压为1.8 V），留给LED和限流电阻的电压只有2 V，而设计时我在仿真里看到的导通电压只有1.2 V，由此给R50取值。这样一来，只有减小R50，才能让LED达到比较合理的亮度。手边0402电阻并不多，随便选了个100欧上去，看起来还不错。

现在低于6 V和高于6 V已有明显区别，但我还是想消除低于6 V时的微亮。产生这种现象的原因是CJ431在关断时也有电流泄露，而这种几十微安的电流流过LED产生的亮度是很容易观察到的（人眼是比较log的）。此时100欧电阻上有电压5 mV，而LED的电压为1.7 V。如果我能给LED并联一个电阻，使得两者总电流为50 uA时，电压小于1.7 V，那么LED就不会亮起。当然，这个电阻也不能太小，否则CJ431导通后LED也不会亮。经试验，电阻取30k即可。

电源电压指示电路（最终版）

旁边还有一个常亮的电源指示灯，为了让两个灯亮度相近，其限流电阻R47改成了20k（试出来的）。

电源电压指示电路实物图（最终版）

焊接两片LDO，两个3.3 V输出均正常。

功耗评估电路

板上有一电路测量其中一路3.3 V的负载电流，其原理为测量采样电阻上的电压并放大。采样电阻有0.1欧、1欧和10欧通过焊接选择（让嘉立创全焊上，这样就不用自己备料了，反正几乎不要钱），位置有负载电容前和后两种：如果放在R40的位置，那么采样电阻上的压降在反馈前，不会影响输出电压，但LDO稳定性可能受到影响；如果放在R46的位置，那么LDO稳定性不受影响，但负载调整率比较高。

INA240是一款带PWM抑制功能的电流感应放大器，其A1后缀版本的放大倍数为20。

从折中的方案开始，R40=1 Ω，R46=0，则增益为20 Ω（意思是电流变化1 mA体现为输出电压变化20 mV）。从现在开始固定输入电压为10 V。负载电流0 mA时（实际上反馈电阻上有一点电流），输出电压小幅振荡；输出电流50 mA时，振荡幅度大约翻倍，在20 mVpp左右。

输出电流0 mA，CH1为电流检测电路输出（CUR1），CH2为输出电压（AC耦合）

输出电流50 mA

输出电流0~40 mA，10 mA步进，可以观察振荡幅度随电流的变化

电流检测中有大量50 Hz及其谐波分量，可能是电子负载的问题，电子负载型号为普源DL3021。

奇怪的是，如果把电阻放在R46，输出瞬态响应反而更差了，并且振荡幅度也不减小，说明振荡不是LDO稳定性问题。但我也不知道是什么原因。

输出电流0~40 mA，10 mA步进（R40=0，R46=1 Ω）

所以电阻还是放在R40吧。换成10欧，电流需要减小，但市电耦合的电流幅度不变，相当于电压噪声放大10倍，根本没法看。换成0.1欧试试。

输出电流0~400 mA，100 mA步进，可以观察振荡幅度随电流的变化

后面还有一级基于通用运放的20倍放大。面向库存选型，选择了GS8557了，这是一款增益带宽积达到13 MHz的精密运放。考虑到输出电流是单极性的，为了获得更大的输出范围，原理图中R33改成了105 k。

无负载时，电流感应放大器输出（CH1）与运放输出（CH3）

现在信号中的噪声还是很大，这是因为电流感应放大器一级REF2把电源波纹带了进来，甚至还放大了。我属实是低估了开关电源的波纹，尤其是轻载下的波纹，因为轻载下它会工作在PFM模式。不过也并不是无解：只需要把REF2接到一个稳定的直流电源上，它可以是另一路3.3 V LDO的输出；与此同时，R33的上端也应改接到该电源上。

这在原理图上非常简单，在PCB上操作却不太容易。我大概是在画板的时候就想到了这个问题，特意把6号引脚（REF2）连接电源的那根线往外拐了一下，于是割线才变得稍有可行性。

PCB底面（已翻转）：INA240A1局部