STM32电路设计之最小系统

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1 前言

1.1 最小系统

1.2 参考资料

    参考手册：STM32F101_02_03_05_07英文参考手册（版本：20，更新时间：2018年12月）
    数据手册：STM32F103xC_xD_xE英文数据手册（版本：13，更新时间：2018年07月）
    资料下载方法：
1.官网下载：ST官网或ST中文官网
2.云盘下载：https://pan.baidu.com/s/1vkgEjgaHrGUb3fBh7cBL-A （提取码：5g5c ）

2 设计过程

2.1 供电电路设计

参考数据手册第5.1.6节：

    从上图的供电方案分析，芯片供电主要分为备份区域、内核区域和模拟区域三个供电部分，我们来逐一分析一下。

2.1.1 备份区域供电

    备份区域的供电主要通过 V_BAT 管脚和内部 V_DD 实现，供电部分主要包括LSE振荡器（OSC32K）、RTC、Wake-up电路、备份寄存器和 PC13-15 管脚。
    备份区域通过一个内部电源模拟开关（可看作一个单刀双掷开关）分别连接到V_BAT和 V_DD 。
    若用电池或其他可用电源连接到V_BAT引脚上，当 V_DD 断电时，电源模拟开关切换到V_BAT供电，可以保存备份寄存器的内容和维持RTC及其它备份外设的正常工作；当 V_DD 供电时，电源模拟开关切换到 V_DD 供电来维持备份区域正常工作。
    若在应用中V_BAT引脚没有连接外部电池或电源，建议将V_BAT连接到 V_DD 同时连接一个100nF的陶瓷滤波电容。

电源符号	描述	最小值	典型值	最大值	单位
VBAT	备份区域供电电压	1.8	3.0	3.6	V

    注意：模拟开关可通过的最大电流为 3mA，即备份区域最大的供电电流为 3mA。PC13-15管脚不得作电流源型驱动，如驱动LED，否则备份区域有可能工作不正常。

2.1.2 核心区域供电

    核心区域的供电由V_DDx引脚和V_SSx引脚实现。供电部分主要包括CPU、存储器、内部数字外设、待机电路（Wake-up逻辑，IWDG）和I/O电路。

1. 当ADC或DAC不使用时，V_DD 供电电压为2.0V ~ 3.6V；当ADC或DAC使用时，V_DD 供电电压为2.4V ~ 3.3V。
2. V_DD 给I/O电路和待机电路供电。同时通过内部电压调节器将 V_DD 转成 1.8V 给CPU、存储器和内部数字外设供电。

电源符号	描述	最小值	典型值	最大值	单位
VDD（不使用ADC）	标准工作电压	2.0	3.3	3.6	V
VDD（  使用ADC）	标准工作电压	2.4	3.3	3.6	V
VSS	标准工作电压参考地	-	0	-	V

2.1.3 模拟区域供电

    模拟区域的供电由 V_DDA 引脚和 V_SSA 引脚实现。供电部分主要包括RESET电路、内部RC振荡器和PLL、以及ADC&DAC。V_REF- 和 V_REF+ 引脚为ADC和DAC提供模拟参考地和参考电压。

1. 如果模拟电路部分未供电，MCU将不能正常启动，因为RESET电路及PLL不能工作。
2. V_SSA 电压必须与 V_SS 相同；V_DDA 电压必须与 V_DD 相同，其两者电压差不得超过300mV，推荐 V_DD 与 V_DDA 使用同一电源供电。
3. 当ADC或DAC不使用时，V_DDA 供电电压为2.0V ~ 3.6V；当ADC或DAC使用时，V_DDA 供电电压为2.4V ~ 3.3V。
4. 若芯片有 V_REF- 引脚，必须和 V_SSA 相连；若芯片没有 V_REF- 引脚，则 V_REF- 在内部已和 V_SSA 连接。
5. V_REF+ 引脚推荐与 V_DDA 连接，若 V_REF+ 不与 V_DDA 连接，其电压为2.4V ~ VDDA，不得超过 V_DDA。

模拟电路供电要求归纳为下表：

电源符号	描述	最小值	典型值	最大值	单位
VSSA	模拟部分工作电压参考地（必须与 VSS 相同）	-	VSS	-	V
VDDA（不使用ADC）	模拟部分工作电压（必须与 VDD 相同）	2.0	VDD	3.6	V
VDDA（  使用ADC）	模拟部分工作电压（必须与 VDD 相同）	2.4	VDD	3.6	V
VREF-	模拟部分负参考电压（必须与 VSSA 相连）	-	VSSA	-	V
VREF+	模拟部分正参考电压（推荐与 VDDA 相同）	2.4	VDDA	VDDA	V

2.2 复位电路设计

参考数据手册第5.3.15节：


    NRST引脚输入驱动采用了CMOS工艺，它连接了一个不可断开的 40kΩ 弱上拉电阻 R_PU；这个上拉电阻是由一个真正的电阻串联一个可开关的PMOS实现的。（PMOS开关电阻很小，约占10%）

1. 图47中的外部复位电路（复位开关并联一个0.1μF电容）是为了避免寄生复位。由于芯片内部集成了不可断开的若上拉电阻，所以我们设计外部复位电路的时候，无需外部上拉电阻；若MCU无需外部复位，则可省略外部复位按键，只需接上外部电容即可。
2. 设计者要想MCU成功复位，必须保证NRST引脚的电位能够低于表49中的 V_IL(NRST) 最大值 0.8V。

2.3 时钟电路设计

参考数据手册第2.1节（图2 时钟树）：

    从时钟树上可以看出，高速时钟可以由外部高速时钟HSE和内部高速时钟HSI提供；低速时钟可以由外部低速时钟LSE和内部低速时钟LSI提供。

2.3.1 高速外部时钟-晶体振荡器

参考数据手册第5.3.6节 High-speed external clock generated from a crystal/ceramic resonator

1. 高速外部时钟支持4-16MHz的晶振。
2. 芯片内部自带R_F= 200kΩ的反馈电阻，外部无需再设计反馈电阻。
3. R_EXT的值取决于晶振的设计参数。
4. C_L1和C_L2的值取决于晶振的参数（并不一定是5pF~25pF的经验值，必须根据设计需求和晶振的具体设计参数确定，还需要考虑MCU引脚与晶振引脚之间的容抗）。

2.3.2 低速外部时钟-晶体振荡器

参考数据手册第5.3.6节 Low-speed external clock generated from a crystal/ceramic resonator

1. 低速外部时钟支持32.768KHz的晶振。
2. 芯片内部自带R_F= 5MΩ的反馈电阻，外部无需再设计反馈电阻。
3. C_L1和C_L2的值取决于晶振的参数（并不一定是5pF~15pF的经验值，必须根据设计需求和晶振的具体设计参数确定，还需要考虑MCU引脚与晶振引脚之间的容抗）。

2.3.3 高速外部时钟-时钟源

参考数据手册第5.3.6节 High-speed external user clock generated from an external source

1. 高速外部时钟支持**1~25MHz(典型8MHz)**的时钟源。
2. 接外部时钟源时，只需将外部时钟源接入OSC_IN管脚，OSC_OUT悬空。
3. 在使用外部时钟源作为MCU低速输入时钟时，需将MCU由晶体模式配置成旁路模式，具体操作请看参考手册或编程手册。

2.3.4 低速外部时钟-时钟源

参考数据手册第5.3.6节 Low-speed external user clock generated from an external source

1. 低速外部时钟支持**最大1000KHz(典型32.768KHz)**的时钟源。
2. 接外部时钟源时，只需将外部时钟源接入OSC32_IN管脚，OSC_OUT悬空。
3. 在使用外部时钟源作为MCU低速输入时钟时，需将MCU由晶体模式配置成旁路模式，具体操作请看参考手册或编程手册。

2.4 下载电路设计

查看参考手册第31.4.1节 SWJ debug port pins
查看参考手册第31.4.3节 Internal pull-up and pull-down on JTAG pins

管脚名称	描述	状态	管脚
JTMS / SWDIO	JTAG模式选择 / SW数据输入输出	内部上拉	PA13
JTCK / SWCLK	JTAG时钟 / SW时钟	内部下拉	PA14
JTDI	JTAG数据输入	内部上拉	PA15
JTDO	JTAG数据输出	内部上拉	PB3
NJTRST	JTAG复位	内部上拉	PB4

3 典型电路

3.1 电源设计

3.2 复位设计

3.3 时钟设计

4 结束

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