任务介绍

题目要求：设计一个12V输入，4路独立控制输出的电源分配器

1. 每路输出500mA
2. 带过流保护和软件开关控制
3. 支持单片机控制
4. PCB尺寸建议控制在50mm×40mm范围内
5. 主要器件：需在DigiKey官网上有货且正常售卖

请注意：PCB设计工具需用KiCad（官方邮件赠送了课程），或最终提交的文件需是KiCad文件，详见大赛主页阶段1要求和项目提交内容。

模块介绍

根据任务要求本次我选用的是STM8S003F3P6TR和LM358DT芯片设计了一款4路独立控制输出的电源分配器，本模块是一款基于STM8S003F3P微控制器的多通道直流电机驱动控制板，适用于小型机器人、智能小车或多通道负载控制等应用场景。其主要设计目标是实现对多路直流电机或负载的独立控制，并具备过流检测、状态反馈和编程调试等功能。

主要架构与功能说明：

1. 核心控制单元
2. • 采用STM8S003F3P（TSSOP-20封装）作为主控MCU，负责逻辑控制、PWM输出、信号采集和通信。
   • 通过/NRST和/SWIM接口支持在线编程和调试。
2. 电源管理
3. • 支持+12V主电源输入，通过AMS1117-3.3稳压芯片为MCU及相关逻辑电路提供+3.3V电源。
   • 多颗去耦电容（100nF、1uF、10uF、100uF）分布于各关键节点，提升电源稳定性和抗干扰能力。
3. 电机驱动部分
4. • 采用4组H桥结构（每组由SS8050 NPN三极管和AO3400A N-MOSFET组成），可独立驱动4路直流电机或负载。
   • 每路输出均设有0.1Ω采样电阻，实现过流检测或电流反馈功能。
4. 接口与扩展
5. • J1为主控制接口，包含电源、复位、SWIM等信号。
   • J2~J5为4路输出端子，分别对应4路电机或负载。
   • M1为电源输入端子，D1（1N5819WS肖特基二极管）用于反向保护。
5. 信号采集与保护
6. • 关键控制信号通过分压电阻（2K/18K）与MCU端口连接，确保信号电平兼容和保护MCU输入。
   • 多路采样电阻用于电流检测，便于实现过流保护或闭环控制。
6. 其他说明
7. • 所有关键节点均有适当的滤波和去耦设计，提升系统抗干扰能力。
   • PCB布局采用SMD封装，便于小型化和批量生产。

典型应用场景：

• 多路直流电机独立控制
• 智能小车/机器人底盘
• 多通道负载开关控制
• 需要过流检测和状态反馈的嵌入式控制系统

STM8S003F3P6TR芯片DigiKey链接：https://www.digikey.cn/zh/products/detail/stmicroelectronics/STM8S003F3P6TR/4357536

LM358DT芯片DigiKey链接：https://www.digikey.cn/zh/products/detail/stmicroelectronics/LM358DT/591693

AMS1117-3.3 SOT-223芯片DigiKey链接：https://www.digikey.cn/zh/products/detail/shenzhen-slkormicro-semicon-co-ltd/AMS1117-3-3-SOT-223/21853079https://www.digikey.cn/zh/products/detail/shenzhen-slkormicro-semicon-co-ltd/AMS1117-3-3-SOT-223/21853079

原理图和PCB模块介绍

原理图模块介绍

本电路原理图主要分为以下几个功能模块：

1. 电源管理模块

• 输入电源：通过M1接口引入+12V主电源。
• 降压稳压：AMS1117-3.3（U2）将+12V降压为+3.3V，供MCU及相关逻辑电路使用。
• 去耦与滤波：C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11等电容分布在电源输入、输出及关键IC附近，提升电源纯净度和抗干扰能力。
• 反向保护：D1（1N5819WS）用于主电源输入的反向保护，防止接线错误损坏电路。

2. 主控单元模块

• MCU：STM8S003F3P（U1）为核心控制器，负责所有逻辑、PWM输出、信号采集和通信。
• 编程/调试接口：J1提供/NRST和/SWIM信号，便于在线编程和调试。
• 复位电路：R1为上拉电阻，保证MCU复位脚正常工作。
• VCAP电容：C2为MCU内部稳压电容，保证MCU稳定运行。

3. 电机驱动与输出模块

• H桥驱动：每路由一对SS8050（NPN三极管）和AO3400A（N-MOSFET）组成半桥，4组共8颗管子（Q1~Q8），可实现4路直流电机或负载的正反转控制。
• 采样电阻：R2、R7、R10、R13为0.1Ω采样电阻，用于检测各路输出电流，实现过流保护或反馈。
• 输出端子：J2~J5为4路输出接口，方便外部电机或负载接入。
• 主电机端子：M1为主电机输出，配合D1做反向保护。

4. 信号采集与保护模块

• 分压保护：R14~R21为2K/18K分压电阻，连接在输出采样与MCU之间，保护MCU输入端口，确保信号电平安全。
• 上拉/下拉电阻：R3、R4、R5、R6、R8、R9、R11、R12等为10K电阻，用于信号稳定和管脚保护。

5. 其他辅助模块

• 滤波与去耦：各关键节点均有100nF、1uF、10uF等电容，提升系统抗干扰能力。
• 接口扩展：J1为主控制接口，J2~J5为输出接口，方便系统集成和扩展。

原理图

PCB模块介绍

PCB设计上，模块布局和走线遵循如下原则：

1. 电源与地线

• 电源线宽敞：+12V主电源和+3.3V电源线采用较宽走线，保证大电流供电能力。
• 地平面完整：GND采用大面积铺铜，减少地回路干扰，提升抗噪声能力。

2. 功率器件布局

• 驱动管靠近输出端子：Q1~Q8及采样电阻R2、R7、R10、R13靠近J2~J5，减少大电流环路面积，降低EMI。
• 电解电容靠近输入端：C8等大容量电容靠近电源输入，吸收电源纹波。

3. 信号与控制部分

• MCU及相关小信号器件集中布置：U1及其外围电阻、电容紧凑布局，减少信号干扰。
• 编程/调试接口靠边缘：J1布置在PCB边缘，便于调试和维护。

4. 采样与保护

• 采样信号单独走线：采样电阻到MCU的信号线尽量远离大电流走线，避免干扰。
• 分压电阻靠近MCU：R14~R21靠近U1，保证信号完整性。

PCB

3D效果图

模块主要性能指标和管脚定义

主要性能指标

1. 电源输入
2. • 主电源电压：+12V DC
   • 控制电源：板载AMS1117-3.3稳压输出+3.3V
2. 输出通道
3. • 通道数量：4路独立输出（可驱动4路直流电机或负载）
   • 每路最大输出电流：受限于MOSFET（AO3400A）和采样电阻，单路建议不超过4A（具体视PCB散热和实际应用而定）
   • 输出类型：H桥驱动，支持正反转/双向控制
3. 控制方式
4. • MCU：STM8S003F3P，支持PWM、GPIO控制
   • 过流检测：每路0.1Ω采样电阻，支持电流检测与保护
   • 状态反馈：可通过MCU采集各路状态
4. 接口特性
5. • 输入/输出端子：螺丝端子，便于接线
   • 编程/调试接口：支持SWIM在线调试，/NRST复位
5. 保护功能
6. • 电源反接保护（肖特基二极管）
   • 过流检测与反馈
   • 信号分压保护MCU输入
6. 其他
7. • 工作温度范围：-20℃ ~ +70℃（取决于元件和散热）
   • PCB尺寸：根据实际布局，通常小于50mm×30mm

管脚定义

主要管脚定义

J1（主控制/编程接口，4Pin）

J2~J5（输出端子，2Pin/每路）

M1（电源输入端子，2Pin）

STM8S003F3P（U1）主要功能管脚

eZ-PLM上新建物料和项目的截图

使用了eZ-PLM系统上传了自己的工程文件，方便保存记录各个版本，也可随时查阅，系统里查阅不到的物料也支持手动添加。

物料添加展示图

项目详情图

心得体会

本项目设计过程中，深刻体会到电源模块稳定运行的重要性。合理选型和布局元器件，优化PCB走线，有效提升了系统的可靠性和抗干扰能力。通过实践，进一步加深了对4路独立控制输出的电源分配器设计的理解。