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【我是工程師第四季】數字電源設計之同步Buck轉換器

打算年前做個開源的數字同步buck轉換器Demo板,開源電路和軟件代碼,平時比較忙做不完年后抽空接著搞一搞。好久不來電源網了,主要是本人不做開關電源,也很遺憾,本科接觸開關電源以后就把它作為一種業余愛好了,廢話不多說。數字電源多半采用 DSP,有的還用FPGA。對剛入門的人來說用DSP來設計數字電源有點難上手。STC推出了一增強型的51單片機STC15W4K32S4,具有6路15位占空比可調的PWM,PWM波形發生器還可在15位的PWM 計數器歸零時觸發ADC轉換,AD采樣率可達300K次/秒。

 

 

設計目標:

1.做一個小功率的數字同步buck轉換器,主要是為了闡述數字電源軟硬件的實現方式,給沒有入門數字電源的工程師一個小參考,大佬就別來砸我的場子了,初步規劃分兩塊板子,一塊單片機控制板,一塊功率板,當然也可以考慮做到一起,處理好地就行了。

2.軟件采用C語言編寫,采用PI做閉環調節,其實代碼方面主要就是PWM與ADC中斷控制還有PI調節函數,控制流程也不麻煩,其實想明白流程以后,用代碼表述出來其實是很簡單的,主要是寫代碼前要徹底想清楚整個控制流程與架構,之后就是改代碼不斷調試的過程了。因為單片機可以通過PWM觸發外部事件,所以可以做成逐周期PI調節,最大開關頻率可以達到50KHz左右

帖子規劃:

 

 

1.先完成buck功率部分電路硬件設計、PCB設計,對各位來說很簡單吧。

2.單片機部分電路設計,主要是最小系統、擴展口等,很簡單。

3.C語言程序設計,完成PI閉環調節。

4.測試結果,開源軟硬件。 

 

 

    

今天先挖坑,后面慢慢補,本人水平一般,各位大佬輕噴~謝謝,希望與大家一起學習進步。后續有問題歡迎指出。

全部回復(12)
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zwcyqxzcx
LV.6
2
2018-01-17 21:14

今天抽時間把原理圖搞完了,事情多啊,下面上圖吧

單片機部分,很簡單,該單片機不需要外部晶振與外部復位即可工作,下載程序也可以直接用USB下載,不需要USB轉串口芯片

非常方便,單片機的PWM6和PWM7輸出PWM分別控制高位MOS和低位MOS,ADC1/ADC2/ADC3分別采樣輸出電流輸入電壓和輸

出電壓。另外做了五個按鍵方便后期開發,比如可以加入電壓電流調節功能等。

輔助電源,直接從輸入取電給驅動芯片和單片機以及運放供電

buck電路,這個很常規,驅動芯片采用IR2304S,采樣電流放大用A00B,后期既可以做成恒壓源也可以做成恒流源。 

耽誤了幾天,今天抽時間吧封裝搞了一下(本人畫板子少,都得臨時搞),然后布了局大致如下,明天抽空完成走線投板。。

除了單片機和按鍵全是貼片的,因為單片機和按鍵是現成就有的不想買了。。。(1.29)

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2018-01-17 21:54
@zwcyqxzcx
今天抽時間把原理圖搞完了,事情多啊,下面上圖吧單片機部分,很簡單,該單片機不需要外部晶振與外部復位即可工作,下載程序也可以直接用USB下載,不需要USB轉串口芯片非常方便,單片機的PWM6和PWM7輸出PWM分別控制高位MOS和低位MOS,ADC1/ADC2/ADC3分別采樣輸出電流輸入電壓和輸出電壓。另外做了五個按鍵方便后期開發,比如可以加入電壓電流調節功能等。[圖片]輔助電源,直接從輸入取電給驅動芯片和單片機以及運放供電[圖片]buck電路,這個很常規,驅動芯片采用IR2304S,采樣電流放大用A00B,后期既可以做成恒壓源也可以做成恒流源。 [圖片]耽誤了幾天,今天抽時間吧封裝搞了一下(本人畫板子少,都得臨時搞),然后布了局大致如下,明天抽空完成走線投板。。除了單片機和按鍵全是貼片的,因為單片機和按鍵是現成就有的不想買了。。。(1.29)[圖片][圖片]
期待樓主大作,坐等學習。
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2018-01-17 22:18
頂貼學習,輸入輸出參數是什么?
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ruohan
LV.9
5
2018-01-18 08:30
@心如刀割
頂貼學習,輸入輸出參數是什么?

軟件采用C語言編寫,采用PI做閉環調節,其實代碼方面主要就是PWM與ADC中斷控制還有PI調節函數,控制流程也不麻煩,其實想明白流程以后,用代碼表述出來其實是很簡單的,主要是寫代碼前要徹底想清楚整個控制流程與架構,之后就是改代碼不斷調試的過程了

怎么做閉環調節,希望把代碼給看看

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zwcyqxzcx
LV.6
6
2018-01-18 10:25
@心如刀割
頂貼學習,輸入輸出參數是什么?
就輸入20V左右,降壓幾V到十幾V吧,數字控制電壓調節很方便的,改單片機ADC的參考電壓就行。
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001study
LV.4
7
2018-01-19 12:08
@zwcyqxzcx
就輸入20V左右,降壓幾V到十幾V吧,數字控制電壓調節很方便的,改單片機ADC的參考電壓就行。
分辨率和響應速度是問題
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zwcyqxzcx
LV.6
8
2018-01-23 23:23
@001study
分辨率和響應速度是問題[圖片]

分辨率要求不要太高就沒問題。。畢竟做個Demo而已。這個單片機計算PI很費勁,所以ADC只用了8bit,最近STC又推出了新

51單片機STC8系列,聽說賊強,ADC采樣速度800K,16路12bit ADC

另外響應速度基本上是這樣的,你看看,以前做的。時間軸500us,電壓軸200mV,輸出空載到滿載的響應速度(滿載9V1.5A)

帶負載瞬間掉了800mV,恢復時間1.5ms。震蕩也不明顯。。。

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ruohan
LV.9
9
2018-01-24 08:38
@zwcyqxzcx
分辨率要求不要太高就沒問題。。畢竟做個Demo而已。這個單片機計算PI很費勁,所以ADC只用了8bit,最近STC又推出了新51單片機STC8系列,聽說賊強,ADC采樣速度800K,16路12bitADC另外響應速度基本上是這樣的,你看看,以前做的。時間軸500us,電壓軸200mV,輸出空載到滿載的響應速度(滿載9V1.5A)帶負載瞬間掉了800mV,恢復時間1.5ms。震蕩也不明顯。。。[圖片]

能否把程序貼出來看看,怎么做PI調節的算法

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zwcyqxzcx
LV.6
10
2018-01-24 11:25
@ruohan
能否把程序貼出來看看,怎么做PI調節的算法
你好,這個后面做好板子了會開原的,一步步來
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zwcyqxzcx
LV.6
11
2018-01-30 23:34
@zwcyqxzcx
今天抽時間把原理圖搞完了,事情多啊,下面上圖吧單片機部分,很簡單,該單片機不需要外部晶振與外部復位即可工作,下載程序也可以直接用USB下載,不需要USB轉串口芯片非常方便,單片機的PWM6和PWM7輸出PWM分別控制高位MOS和低位MOS,ADC1/ADC2/ADC3分別采樣輸出電流輸入電壓和輸出電壓。另外做了五個按鍵方便后期開發,比如可以加入電壓電流調節功能等。[圖片]輔助電源,直接從輸入取電給驅動芯片和單片機以及運放供電[圖片]buck電路,這個很常規,驅動芯片采用IR2304S,采樣電流放大用A00B,后期既可以做成恒壓源也可以做成恒流源。 [圖片]耽誤了幾天,今天抽時間吧封裝搞了一下(本人畫板子少,都得臨時搞),然后布了局大致如下,明天抽空完成走線投板。。除了單片機和按鍵全是貼片的,因為單片機和按鍵是現成就有的不想買了。。。(1.29)[圖片][圖片]

今天抽時間吧板子畫好了,如下圖,明天發出去打樣,開始擼PID代碼了,敬請期待!(1.30)

板子已經發出去打樣了。順豐加急。。。。。(1.31)

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zwcyqxzcx
LV.6
12
2018-02-02 19:25
@zwcyqxzcx
今天抽時間吧板子畫好了,如下圖,明天發出去打樣,開始擼PID代碼了,敬請期待!(1.30)[圖片]。。。板子已經發出去打樣了。順豐加急。。。。。(1.31)。。[圖片]

板子打樣回來啦!如下圖,周末抽空焊接好就可以開始調試了

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appleY
LV.5
13
2018-06-09 11:05
@zwcyqxzcx
今天抽時間把原理圖搞完了,事情多啊,下面上圖吧單片機部分,很簡單,該單片機不需要外部晶振與外部復位即可工作,下載程序也可以直接用USB下載,不需要USB轉串口芯片非常方便,單片機的PWM6和PWM7輸出PWM分別控制高位MOS和低位MOS,ADC1/ADC2/ADC3分別采樣輸出電流輸入電壓和輸出電壓。另外做了五個按鍵方便后期開發,比如可以加入電壓電流調節功能等。[圖片]輔助電源,直接從輸入取電給驅動芯片和單片機以及運放供電[圖片]buck電路,這個很常規,驅動芯片采用IR2304S,采樣電流放大用A00B,后期既可以做成恒壓源也可以做成恒流源。 [圖片]耽誤了幾天,今天抽時間吧封裝搞了一下(本人畫板子少,都得臨時搞),然后布了局大致如下,明天抽空完成走線投板。。除了單片機和按鍵全是貼片的,因為單片機和按鍵是現成就有的不想買了。。。(1.29)[圖片][圖片]

R4上拉應該接到輸入端,Q2,DS接反了

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