关于STM32项目面试题01：电源篇
博客的风格是：答案一定不能在问题的后面，要自己想、自己背；回答都是最精简、最精简、最精简，可能就几个字，你要自己自信的展开。
面试官01：说说你知道的开关电源的拓扑结构？
面试官02：给你一张 A4 纸，请你现场画一下 Buck 降压电路。
面试官03：请你再画一下 Boost 升压电路。
面试官04：好，我看你两个电路都画出来了，请你向我简单说一下两个电路的原理。
面试官05：那你使用过这两种电路吗？是什么样的使用场景呢？
01：Buck 降压电源、Boost 升压电源、Buck-Boost 升压降压电源、反激电源。
02：看一遍，手搓一遍，直到记住。注意MOS 管的画法与方向。
你知道记住这个电路的方式有多简单吗？就是开关后面串联电感和电阻。
03：看一遍，手搓一遍，直到记住。你知道记住这个电路的方法有多简单吗？就是电源串联电感给电阻供电。
降压开关串联，升压开关并联。（你看这个升字和这个并字）
04：降压。开关闭合。开关断开。总（比划波形）。二极管作用。
升压。开关闭合。开关断开。二极管和电容的作用。
注意都是先说开关闭合。
Buck降压电路将输入电压降为一个比较低的电压输出。电路通过MOS管关闭给电感充电和负载供电，负载上的电压逐渐上升（手比划上升）；开关断开，电感为负载供电（手比划下降），这样来输出一个较为平滑的输出电流波形。通过调节开关的开关频率，其实就是调节占空比，来控制电感充电、放电的时间，最终控制输出电压的大小。
Boost升压电路则是开关闭合给电感充电，负载和电容暂时被短路；开关断开电源和电感一起给负载供电，其中还包括一部分给电容充电，这样电源+电感电压达到升压的目的；当开关再次闭合的时候就由刚刚充电的电容对负载放电。
05：未使用升压，在STM32项目中使用降压电路将7~28V降为5V供继电器、智能串口屏、电机、蜂鸣器等使用，了解的芯片是MP1470、MP1484和MP1584，使用了MP1584。
面试官06：哦~~那你能介绍一下在板子中这款芯片你是怎么设计、布局周边电路来使用的吗？
面试官07：那你还记得你说的这个电路中一些重要器件的选型吗？以及你选型的参考标准。比如说你说到TVS管、大小滤波电容、自举电容、续流二极管、电感这些。
面试官08：我们刚刚一直有提到自举电路，我想问一下，你关于自举电容的理解和运用。
面试官09：既然一直都在说电源，你能向我们介绍一下你项目中的电源架构吗？
面试官10：既然你提到了LDO，这也是一个重点硬件模块， 你知道LDO的原理吗？可以画以下原理图吗？
06：7~28V接入→接口处理（TVS（浪涌和静电保护）、二极管（防反接）、大小滤波电容、0欧姆电阻）；到输出这边则是自举电容电路、反馈电路和最重要的输出电路，输出电路上有电感、续流二极管、滤波电路。
07：TVS-SMBJ30CA，击穿电压在28~33V，高于电路的最大输入电压，避免误触发；二极管DSK34，实验室常用肖特基二极管；1nF小电容，就是普通的0603的小电容即可；22uF/35V的电解大电容-RVT1V220M0505。
自举电容为普通的0.1uF的小电容，续流二极管还是DSK34，滤波是RVT0J221M0605的电解大电容（220uF/6.3V）搭配0.1uF小电容。电感是SWPA4030（4.7uH，2A），选择的感值比手册小，选值和很多因素相关，主要是负载，我觉得后续的使用中，我不会同时使用几个电机，几个屏幕，继电器，所以就选择了一个小电感值的电感。
上面所说输入和输出两个不同的电解电容，输入处的电解电容主要是符合一般的低频滤波要求，耐压也保留了合适的裕量；输出处的电容容值增大到220uF是因为负载有继电器、电机这样的感性负载，需要大电容吸收尖峰电压。
08：核心原理。电感放电，电容充电。给MOS1的驱动器电源。钳位驱动器电源。
自举电容最核心的原理：电容两端电压不能突变。首先是两端电压，是电容一边相当于另一边的电压，其次是不能突变，说明电容两端的电压变化必须需要一个大于0的时间。
降压芯片设有BST自举电容的引脚，电感放电，电容充电，并且电容充电走的芯片内部的MOS管2和二极管通路，由于有二极管的存在，这条通路也不影响电感放电。
当电感的能量泄放完之后，需要打开芯片内部的MOS1向电感充电，MOS管1有一个驱动器，驱动器的电源接在自举两端，自举电容刚好通过刚刚的充电达到上正下负的VCC，钳位驱动器电源，使符合驱动器开启的条件，当有信号时，驱动器就可以直接驱动MOS关闭，给电感充电。
（当电感能量泄放完之后，由于续流二极管的存在，芯片内部主要的的MOS管1的没有了回路可以说是悬浮在半空中，这时由于充好电电容两端的电位差将MOS1的驱动器电源电位差钳位在VCC，这样一旦有高电平，驱动器就可以立刻驱动MOS管1，这样又能继续给电感充电。）
电感回路导通，使驱动器下端电压上升，正是由于有自举电容的两端电压不能突变的存在，将驱动器上端电压抬高到VIN+VCC，导通才能持久。
在STM32项目中在MP1584的BST和SW引脚之间接了一个自举电容和电阻，电容是0.1uF，电阻是22Ω，之所以加上电阻是因为可以使自举电容的充点电曲线稍微平缓，更易于充放电。
09：
电源可以说是一个项目中最重要的部分，在设计电源之前心里就要对项目的整体功能、模块、功耗有宏观把控，最终的电源设计是：有两种供电方式，第一是由圆头的DC电源连接器接入7~28V的直流电源，通过上面讲述的DCDC降压芯片降成5V的系统电压，另一种供电方式就是USB直接接入5V的电源。
5V的系统电源分为3路，一路流向需要5V供电的器件中，另外两路就是分别在经过0欧姆电阻和滤波电路（RVT1A101M0505/100uF/10V）进入两个LDO芯片，一个是5V转4V的MIC29302，一个是5V转3.3V的AMS1117，其中4V的电压是专门供给项目的GPRS模块，3.3供给剩余不是5V的其他所有（单片机、数码管、温湿度传感器，触摸按键等）。
10：通过误差放大器调节PMOS开关的占空比。
原理图：
面试官11：那你设计LDO模块能向我们介绍介绍吗？
面试官12：你上面还提到了BUCK-Boos升降压电路，请你再给我们画一下电路原理图，并讲述原理。（但是没有使用过，也不会使用）
面试官13：你上面还提到反激电源，请你也画一下电路原理图和原理。（换个问法：我们一直都在聊直流升压、降压，那你有没有交流电源的设计或者其他？）
面试官14：刚刚我们一直在聊原理图方面的知识，原理图画好之后下一步必然就是画PCB嘛，请你讲述一下你画PCB的过程吧。
面试官15：那最后你实际打板了吗？你画的PCB板效果怎么样呢？你是怎么测试出来的呢？
11：输入输出滤波、电源指示灯、反馈电路、假负载（只有MIC29302有）。
LDO原理虽然有一点复杂，但是现在集成芯片实际使用起来却不复杂。MIC29302转4V的电路可以参考数据手册，除了有输入输出滤波、电指示灯还有反馈电路（注意反馈电路上的两颗电阻都建议选电阻精度为1%），还有手册中建议的470Ω的假负载，无论真负载在不在使用，输出电压必须有10mA的电流，保证输出电压的稳定，芯片不需要重启。
AMS1117吧转3.3V的电路也是参考数据手册，输入滤波，输出滤波，电源指示灯。没有假负载的原因是单片机一般都处在使用的状态，AMS1117始终都有电流输出，不需要假负载，不像上面的GPRS不是一直处在使用的状态。
如果问到LDO芯片的选型，如：为什么选择MIC29302芯片，可以回答是GPRS目标供电模块推荐的。
12：开关闭，电感充；开关断，电感放。调节开关占空比确定是升压还是降压。
你知道记住升降压电路的原理图有多简单吗？电感为负载唯一且灵活的电源。
13：精髓：MOS 管导通时给初级线圈储能， MOS 管断开时时，线圈将所储能量释放到次级线圈中。（其他想必不用我多说，你自己心里有数）
如果涉及到对这个电路的应用，你还需要知道：
- 全桥整流桥使用芯片MB10F
- 输入电容按照2~3uF/W,本项目输出为5V/2A，输入电容为33uF，耐压保留裕量为400V。
- RCD电路按照数据手册电阻150K，电容2.2uF，因为要吸收尖峰电压，二极管选择耐压700V的FR107。
- 输出二极管：SB10100，耐压100V耐得住反向电流，导通电流10A留得住大电流。
- 输出电容：容值和ESR。680uF/45mΩ-130mV，为进一步减小纹波可以放两颗电容，中间再加一颗4.7uH电感，构成π型网络，减小纹波到30mV。
- 反馈电路：电压基准芯片TL431，线性光耦PC8174A。
- PWM主芯片：HE500-15，有VBUS引脚，过流保护引脚，内部比较电压引脚，输出引脚，电源输入（单独在变压器上绕了一个线圈，经过二极管和电容变成直流电压为芯片为芯片供电），反馈电路。
- 变压器：源边匝数210，副边匝数10，辅助线圈匝数32，源边线径0.2mm，副边线径0.5mm*4，辅助线圈匝数0.1mm，骨架EE19，源边电感3.6mH。
- LAYOUT：主回路电流大，走线短且流畅，不能绕弯；电路隔离，地平面分开；芯片周边器件接近芯片，反馈部分远离干扰源。
- 交付厂家：标注同名端，三明治绕制。
我建议是背下来，而不是留个印象， 每次还过去看博客。
14：预布局。优化布局。3.3V中间，5V边缘。
预布局要做到心中有环，环要最小。环值得就是流大电流的主干道，如DCDC降压部分的输入回路和输出回路就是大电流，预布局将所有器件按原理图摆放好后，优先考虑上面所说的主干道，怎么紧凑怎么布局，在PCB中的紧凑一方面指的是回路布局紧凑，另一方面指的是相关的一片铺铜紧凑。
优化布局：所有器件尽量紧凑、对齐、但是也要调整间距方便后续引出电流和打孔。
以上是一个DCDC模块的PCB,在整个板子的电源处理上可以把使用的最多最杂的3.3V在板子背面引到板子中间，方面后面四通八达的供给各个模块，5V刚好一方面可以避开中间的3.3V，另一方面5V供给的继电器、电机、CAN接口也都在板子的边缘处。
15：实际打板，测试的结果也都达到要求。测试过程：
- 所有器件焊接完成，目测检查，是否漏焊，虚焊、焊反、短路等。
- 使用万用表欧姆档黑线接地，红色接到各个电源处检查一下有没有短路。
- 将3个0欧姆电阻去掉，可调电源调至12V输入进去。
- 空载，万用表电压档量一下是不是5V，断电。
- 焊接100Ω的假负载，上电并调节输出电流至250mA，示波器通道一的夹子夹住GND，笔去测量DCDC芯片或者电感位置。
- 选择通道1，交流耦合，打开带宽限制，探头乘以的倍数要和示波器的笔匹配。
- 可以自已调横纵坐标，也就是电压和周期，也可以AUTO。可以选择触发功能，但是一般我没怎么用过。
- 当调节输出电压的大小，可以观察到输出怕波形的占空比随之变化，电压升高，占空比变小，电压降低，占空比增大。
- 其他电源测试，将0Ω电阻重新焊接回去，用万用表测量一下到处的电压。
补：面试官16：BUCK电路主要功耗在哪里？
补：面试官17：BOOST电路SW施加电压计算？
补：面试官18：LDO电源效率怎么计算？
补：面试官19：描述开关电源和LDO的区别
16：BUCK电路损耗不足10%，电路效率90%，主要损耗：电感的等效电阻、电容的等效电阻、二极管的导通压降、晶体管的导通电阻。
17：在BOOST升压电路中，SW引脚是功率开关的节点，它在工作时会交替连接到地（通过功率MOSFET的开关动作）或电感的另一端。这个节点的电压随开关状态的变化而变化，并不是一个固定的电压。
在不同的开关状态下，SW节点的电压表现如下：
1.开关导通时（MOSFET导通）：SW节点被拉到地电位，电感两端电压等于输入电压，这时电感中的电流开始线性增加。
2. 开关关断时（MOSFET关断）：SW节点被电感通过二极管拉高，电感的电流将通过二极管流向输出端。这时，SW节点的电压是升高的，理论上其电压为输出电压加上二极管的正向压降。
要计算SW节点的电压，关键在于计算的是开关关断时的电压，这时电感的反向电动势会推动SW节点达到接近输出电压的水平。因此，SW节点的最大电压接近于输出电压，也就是：
其中：是输出电压，
是二极管的正向压降。
总结：SW引脚的电压是一个动态变化的值，其最大值接近输出电压加二极管的正向压降。
18：LDO的效率公式可以表示为：，由于LDO的输入电流和输出电流几乎相等（忽略极小的控制电路消耗的电流），因此，效率可以简化为：
。
输入电压和输出电压之间的差距越大，LDO的效率越低，因为更多的能量以热量形式损耗。
19：
| DC-DC | LDO |
| 外围器件多，电路复杂，成本高 | 外围器件少，电路简单，成本低，通常只需要一两个旁路电容 |
| 负载响应比LDO慢，输出纹波大 | 负载响应快，输出纹波小 |
| 效率高，输入电压范围宽泛 | 效率低，输入输出压差不能太大 |
| 支持降压和升压 | 只能降压 |
| 输出电流高，功率大 | 输出电流有限，最高可能就几A，且达到最高输出和输入输出电压都有关系 |
| 静态电流都小，根据具体的芯片来看 | |
| 开关噪声大，为了提高开关DC-DC的精度，很多应用会在DC-DC后端接LDO | 噪声小 |
| 一般都是可调型，通过FB反馈电阻调节 | 分为可调和固定型 |