Anwendung von STM32 in digitalen Stromversorgungen

Hier ist ein detaillierter, professioneller Überblick über STM32 in digitalen Stromversorgungsanwendungen, strukturiert für Klarheit und technische Tiefe.

1. Einführung

Die STM32-Mikrocontrollerfamilie von STMicroelectronics hat sich als Standardlösung für digitale Stromversorgungen etabliert. Digitale Steuerung bietet im Vergleich zur klassischen analogen Regelung eine höhere Effizienz, Flexibilität und Präzision. STM32-MCUs fungieren als zentrales Steuerelement in Schaltnetzteilen (SMPS), DC–DC-Wandlern, PFC-Stufen, Wechselrichtern und USV-Systemen und übernehmen Regelkreise, Schutzfunktionen und Kommunikationsschnittstellen.

2. Rolle von STM32 in digitalen Stromversorgungen

STM32-Mikrocontroller dienen als „digitales Gehirn“ von Stromversorgungen:

• Echtzeitsteuerung: Überwachung von Spannungen, Strömen und Temperaturen; Berechnung der Steuersignale für PWM- oder Gate-Treiber.

• Fortschrittliche Algorithmen: Implementierung von PID-, Stromregelungs-, prädiktiven und modellbasierten Algorithmen.

• PWM-Erzeugung: Ansteuerung von MOSFETs/IGBTs mit Totzeitkompensation und komplementären Ausgängen.

• Schutzfunktionen: Erkennung von Überstrom, Überspannung und Übertemperatur.

• Kommunikation: Schnittstellen zu CAN, UART, USB, Modbus, Ethernet für Telemetrie und HMI.

• Diagnose & Überwachung: Präzise Messungen, Logging und adaptive Leistungsanpassungen.

3. Wichtige Peripherien für Leistungselektronik

STM32-MCUs integrieren zahlreiche Peripherien, die für digitale Stromversorgung optimiert sind:

• Hochauflösende Timer: Zentrum-aligned PWM, komplementäre Ausgänge, Totzeiteinfügung.

• ADC: Hochgeschwindigkeits-, Mehrkanal-ADC mit injizierten Kanälen synchronisiert zu Timern.

• DAC & Komparatoren: Für Debugging, Test oder Überstromschutz.

• DMA: Überträgt ADC-Daten in Puffer ohne CPU-Intervention, reduziert Latenz.

• FPU/DSP: Fließkomma- oder Festkommaoperationen für Filter, FFT und prädiktive Algorithmen.

• Kommunikationsschnittstellen: CAN-FD, Ethernet mit LwIP, USB, UART für Steuerung und Überwachung.

4. Übliche Regelstrategien

Digitale Stromversorgungen verwenden typischerweise geschichtete Regelstrategien:

• Spannungsregelung: PI/PID-Regler mit Feedforward zur Ausgangsspannungsregelung.

• Stromregelung: Innerer Stromregelkreis und äußerer Spannungsregelkreis für schnelle Transientenreaktion.

• Hysterese-/Bang-Bang-Regelung: Sehr schnelle Reaktion für Hochgeschwindigkeitswandler.

• Prädiktive-/modellbasierte Regelung: Für Hochleistungs- oder Resonanzwandler.

• Digitale Mittelwertstromregelung / PR-Regelung: Besonders für netzgekoppelte Anwendungen.

• Beobachter und PLLs: Für Flussschätzung oder Synchronisation mit Netzspannung.

5. STM32-Familienempfehlungen

Die Wahl des richtigen STM32 hängt von ADC-Geschwindigkeit, Timern, DSP-Fähigkeiten und Kosten ab:

• STM32G4: Ideal für digitale Stromversorgung – Hochgeschwindigkeits-ADCs, On-Chip-Operationsverstärker und Komparatoren, fortschrittliche Timer, DSP-Befehle.

• STM32F3: Klassisch, noch beliebt; starke Analog- und Timerfunktionen.

• STM32F7/H7: Hohe CPU- und FPU-Leistung für modellprädiktive Regelung, komplexe GUIs und Ethernet-Stapel.

• STM32G0/L4: Low-Cost/Low-Power-Optionen für einfache digitale Stromversorgungen.

• STM32MP1: Nur geeignet, wenn Linux oder komplexes HMI erforderlich ist.

6. Software-Stack und Entwicklungswerkzeuge

• STM32CubeMX / CubeIDE: Peripherieinitialisierung und Projektsetup.

• HAL/LL-Treiber: LL für deterministische Regelkreise; HAL für schnelle Entwicklung.

• CMSIS-DSP-Bibliothek: Filter, FFT und erweiterte DSP-Berechnungen.

• RTOS (FreeRTOS): Für Multitasking von UI oder Kommunikation, während Regelkreise deterministisch bleiben.

• STM32CubeMonitor, SWV/ITM, SEGGER SystemView: Debugging und Echtzeit-Trace.

• TouchGFX / LVGL: Für Mensch-Maschine-Schnittstellen in Stromversorgungen.

7. Best Practices bei der Umsetzung

• Synchronisierte ADC-Abtastung: Triggern in der Mitte der PWM-Totzeit, um Schaltgeräusche zu reduzieren.

• DMA-Nutzung: Effiziente Übertragung von ADC-Daten in Puffer, reduziert CPU-Last.

• Deterministische Regelkreise: Timer-gesteuerte ISRs für schnelle Regelkreise; aufwändige Berechnungen in Hintergrundaufgaben auslagern.

• Analoge und digitale Filterung: RC-Antialiasing und IIR/FIR-Filter, um Rauschen zu minimieren und Schleifenbandbreite zu erhalten.

• Kalibrierung: Korrektur von ADC-Verstärkung, Offset und Temperatureinfluss.

• Sicherheit: Hardwarekomparatoren für sofortigen Überstromschutz, Firmware-Schutz als Backup.

• PCB-Layout: Kurze Sense-Leitungen, Kelvin-Verbindungen, getrennte Schaltnetz-Erden.

8. Typische Anwendungen

STM32 wird häufig verwendet in:

• Offline-SMPS: Adapter, Server-Netzteile, Telekom-Frontends.

• Power-Factor-Correction: Ein- und dreiphasige AC/DC-PFC-Stufen.

• Batterieladegeräte & BMS: EV-Ladegeräte, Energiespeicher-DC–DC-Wandler.

• Netzgekoppelte Wechselrichter & USV: Mikro-Wechselrichter und unterbrechungsfreie Stromversorgung.

• LED-Treiber: Digitale Regelung des Konstantstroms.

9. Abtastrate und Bandbreite

• Stromregelkreise: Mindestens 8–20× der Schaltfrequenz oder synchronisiert zu PWM-Ereignissen für innere Schleifenstabilität.

• Spannungsregelkreise: Niedrigere Bandbreite (100 Hz–1 kHz) je nach Anwendung.

10. Beispielregelung (Pseudocode)

• Berechnungen im inneren Regelkreis minimal halten, um Echtzeit-Determinismus sicherzustellen.

• FPU oder Festkomma je nach MCU-Fähigkeit verwenden.

11. Validierung und Test

• Oszilloskop mit Differenzialsonden zur Überwachung von Schaltknoten.

• Stromsonden oder Shunt-Widerstände für präzise Strommessung.

• HIL/SIL-Simulation für frühes Testen von Algorithmen.

• Unit-Tests für Regelkreise und DSP-Funktionen.

12. Zusammenfassung

STM32-Mikrocontroller bieten eine flexible und leistungsstarke Plattform für digitale Stromversorgungen. Durch die Nutzung von Hochgeschwindigkeits-ADCs, fortschrittlichen Timern, DMA und DSP-Funktionen können Ingenieure präzise, effiziente und sichere digitale Regelkreise implementieren. Von Low-Power-LED-Treibern bis hin zu Hochleistungs-Wechselrichtern ermöglicht STM32 modernen Stromversorgungen höhere Effizienz, bessere Überwachung und verbesserte Sicherheit.