从F3升级到G4，意法半导体STM32锁定下一代数字电源应用

作者:单祥茹  来源:中国电子商情

发布时间:2019-06-27

意法半导体（STMicroelectronics，ST）自2007年发布了第一款STM32产品，在12年的时间里累计推出16条产品线，产品系列不断完善。STM32G4是不久前ST最新推出的、专门用于提高下一代数字电源应用性能和能效的新产品。从本质上说，该产品并不是从零开始的全新产品线，而是2012年发布的第一款混合信号产品STM32F3产品线的延续版本，它继承了STM32F3良好的理念和基因，带来更强劲的性能和数模效果。

有效提升四大性能
STM32全线产品均基于ARM内核，覆盖了从Cortex M0、M0+、M3、M4、M33到M7，以及部分Cortex A系列内核。ARM内核具有的设计延承性，也为STM32产品线带来更广阔的产品布局。STM32F3是STM32系列中第一款混合信号产品，作为该产品的升级版，STM32G4依然选择基于Cortex M4内核，同时带有DSP运算性能和浮点运算指令集。“在STM32G4内部还引入了两个全新的硬件数学加速器，在处理速度、功能安全与信息安全、温度特性以及数模组合方式上，相比前一代产品均有大幅提升。另外，STM32G4还增加了很多丰富且高端的模拟外设。” 意法半导体微控制器事业部微控制器产品经理、数字电源及电机控制市场经理Jean-Marc Mathieu博士在STM32G4媒体沟通会上表示。

图1 意法半导体微控制器事业部微控制器产品经理、数字电源及电机控制市场经理Jean-Marc Mathieu博士详细介绍STM32G4的设计理念及应用目标

G4的性能是F3的三倍：性能是STM32G4产品最重要的参数，也是产品最重要的卖点之一。除了内核达到170MHz高主频之外，STM32G4还内置了三个不同的硬件加速器，协助CPU提高运算性能。其中，ART加速器（动态缓存），可有效提升代码综合执行效率，不过它相当于是一个硬件堆栈，有可能会出现溢出现象；关键程序加速Routine Booster CCM-SRAM（静态缓存），主要解决了关键性代码延时问题，用户可以把最关键的代码拷贝到CCM-SRAM中，并在该区域中执行，以避免产生任何延时；数学加速器是STM32G4特有的、具有革新意义的新功能，由三角函数（Trigo）和数字滤波加速器（Filter-Math Accelerator，FMAC）两部分组成，它再次提升了芯片的运算性能。引入的FMAC滤波算法加速器和CORDIC专用引擎，可以加快一些算法的运算速度，例如，电机控制应用中的旋转和矢量三角法，以及一般的对数、双曲线和指数函数、信号调理IIR / FIR滤波算法或数字电源3p / 3z控制器，以及卷积和相关函数等矢量函数。这两部分有助于用户解决在控制领域中的矢量算法难题，包括马达驱动、电源转化类产品设计中经常用到的数学公式，一方面减轻了CPU的负荷，同时运算效率也将提升5倍左右。

丰富的内置数模外设：STM32G4包括模拟运放、DAC、比较器、12-bit支持4Msps以及硬件过采样的ADC，同时产品还增加了CAN-FD接口，该接口的有效载荷比特率是标准CAN的8倍，在未来工业应用场景中将扮演重要角色。

功能安全与信息安全：STM32G4可利用双区存储器支持实时固件升级。产品采用的双Bank Flash机制，其中一个Bank可运行已经加载的应用程序，而另一个Bank则用于在线加载新版本固件程序。当升级加载完成后，只要设置一个寄存器就可以瞬间切换两个Bank间的地址，实现在线固件升级。

在安全性尤其是信息安全方面，STM32G4带来了较以往产品更新的设计理念，就是安全存储区域。安全存储区域仅在系统启动时可以被执行，用户可以在这个过程中做一些敏感信息的存储和校验算法，当系统退出该区域进入到用户的应用程序后，这一部分存储器会被完全隔离并隐藏起来，在硬件上杜绝应用程序去访问安全存储区中的内容。STM32G4还支持256位密钥的硬件加解密，方便用户对固件远程升级时对传输层信息加密，保障了代码的安全。除此之外，STM32G4还有很多提升安全设计的外设，可以满足用户尤其是IoT用户应用场景中，对信息安全多种角度的要求。

低动态能效：在动态能效上，STM32G4采用了先进的设计，因此在运行模式下的动态能效只有160μA/MHz。除此之外，STM32G4还提供低功耗工作模式，虽然它不是一个超低功耗产品，但运行功耗比传统DSP产品有至少两倍以上的优化。比如，在数字电源应用场景中，用户目标要达到95%甚至98%以上的转换效率，此时数字器件上的能耗损失尤其关键，而160μA/MHz的动态能效将成为STM32G4非常引人关注的特性。

除了四大性能方面的显著提升，STM32F3有了更高的温度特性，最高工作温度达到125°C。

三条产品线满足更广泛的市场需求
STM32G4产品目录分为三大产品系列：基本系列、增强系列和高分辨率系列，对应的产品分别是STM32G4x4、STM32G4x3、STM32G4x1。STM32G4x4产品属高精度PWM型，拥有高精度12通道定时器。STM32G4x4和STM32G4x3产品间唯一的区别就是高精度定时器， STM32G4x1虽为入门级产品，但在性能上没有任何让步，只是在模拟外设方面相比前两个产品系列精简一些。

为了扩大应用范围，STM32G4产品目前覆盖从32-pin到128-pin，32K flash一直到512K flash，拥有一个完整的平台，且众多的型号选择。其中LQFP80和LQFP128为全新的封装，也是STM32此前的产品从未使用过的封装形式。

STM32G4锁定数字电源市场
STM32产品的迭代与延续完全基于市场的需求，STM32G4主要面向控制类应用，包括电机驱动、数字电源、仪器仪表和工业测量等应用场景。其中，数字电源是非常重要的应用领域。
数字电源中包括高频数字开关电源、功率因数补偿，在大功率数字能源转换应用场景下，这些都将是未来几年具有广阔前景的应用领域。

在针对数字电源产品的布局上，STM32G4独树一帜。不同于市场上大多数选择私有内核的数字电源产品，STM32G4一如既往地选择了基于Cortex M4内核，借助arm公司广泛的生态系统资源，以及整个STM32平台的生态系统，预计STM32G4产品将很快在电机控制、工业应用以及数字电源市场获得应用。

针对数字电源市场ST有一个清晰的产品路线图，较低端的为STM32F334，高端的有STM32H743产品，这两个产品中都已配置ST第一代的高精度定时器。虽然STM32H7中只放置了这个定时器的数字部分，但只能达到2纳米的精度。STM32G4的出现正好填补了这两个平台间的空白，增强的HRTIMer高精度定时器现在已经到了v2版本，达到184皮秒的精度。不过，Jean-Marc Mathieu博士表示，STM32G4并不是完整取代STM32F334的应用场景，而是在STM32F334的基础上做了提升，去覆盖更复杂的一些数字电源应用场景，而这些应用场景通常是STM32F334力所不能及的。

为了辅助应用开发，STM32开发生态系统新增了高性价比的支持STM32G4 MCU的Nucleo开发板、功能齐全的评估板和板载加密加速器，以及STM32CubeG4软件包。此外还有一套Nucleo电机控制专用开发板和软件开发套件。