开源一个基于STM32的同步整流Buck-Boost数字电源

zeruns · 发表于 2024-6-7 14:18:26

一款基于STM32G474的四开关Buck-Boost数字电源，支持TypeC接口PD诱骗输入和DC5.5接口输入，输入/输出最高48V10A，这是我的毕业设计，现在开源出来，含原理图、PCB、程序源码、外壳3D模型等资料。

做得一般，勿喷，欢迎友好交流。

作品演示视频：https://www.bilibili.com/video/BV1Ui421y7ip/

基于CH32V307的智能电子负载开源，嵌入式大赛作品开源：https://blog.zeruns.tech/archives/785.html

本项目的立创开源平台开源链接：https://url.zeruns.tech/noGf0

电子/单片机技术交流QQ群：820537762

资料下载地址在文章末尾。

简介

本文设计基于STM32的同步整流Buck-Boost数字电源，该电源电路由MOSFET驱动电路、4开关Buck-Boost电路、信号调理电路、PD快充协议电路、辅助电源电路、单片机控制电路等部分组成。

该电源可通过DC接口或Type-C接口供电，而且Type-C接口支持与充电器通过PD快充协议通讯，自动请求并获取最高20V的工作电压。该电源使用STM32G474单片机对输入输出的电压和电流实时监测，并通过PID控制算法来调整输出的PWM占空比，以及实现过压过流保护，还可采样主板温度来实现过温保护。此外可通过OLED屏实时查看电源的参数，并通过旋转编码器和按钮来设置输出电压和电流，还可以通过另一个Type-C接口与上位机通信，通过上位机软件可实时查看电源的各项参数和波形。

设计性能参数

电源设计性能参数如下表：

项目	参数指标
输入电压范围	12Vdc~48Vdc
输入电流范围	0~10A
输出最大功率	450W
输出电压范围	0.5Vdc~48Vdc
输出电流范围	0~10A
输出电压纹波	峰峰值≤200mV
开关频率	181.333kHz

实物图

使用VOFA+作为上位机软件，可实时查看电源各项参数（输入电压和电流、输出电压和电流、主板温度、MCU温度、电源转换效率等）和波形变化。如下图所示。

系统框架图

硬件电路设计
器件选型计算
电感计算

在同步BUCK-BOOST电源中，电感的计算需要考虑BUCK模式和BOOST模式下的工作情况，以确保在两种模式下都能满足电路的工作要求。通常，电感的选择会基于两种模式中对电感要求更高的那个模式来进行。

当电源工作于BUCK降压模式时，假设输入电压最大为48V，输出电压最小为5V，计算最小的PWM占空比：

字数限制，具体内容请到这里看：https://blog.zeruns.tech/archives/791.html

PCB截图
电源板顶层

电源板GND层

电源板内层2

电源板底层

面板顶层

面板底层

使用说明

通过按钮和旋转编码器可以设置输出的电压和电流值。如下图所示，反色显示的数值为当前要设置的位，通过旋转编码器可以增加或减少，按下编码器可以切换到下一位进行设置，通过SW2按键可以切换要设置的项目。设置的数据会自动保存到Flash存储芯片里，下次开机会从存储芯片里读出数据。

SW3按钮开启/关闭电源输出。

可切换到数据显示页面查看电源当前的输入输出电压和电流，以及主板温度和MCU温度等信息，如下图所示。

可切换到设置页面设置过温/过流/过压保护的阈值，如下图所示。设置的数据会自动保存到Flash存储芯片里，下次开机会从存储芯片里读出数据。

纹波测试

使用电子负载和示波器测试电源输出性能和输出纹波，如下图所示。在36V输入，12V2A输出时纹波峰峰值测得42mV左右，如下图所示。

转换效率测试

测试20V输入，12V10A输出时的电源转换效率为92%，如下图所示。

下表为各个不同的输入和输出电压下的转换效率，最高效率为94.3%。

输入电压(V)	输入电流(A)	输入功率(W)	输出电压(V)	输出电流(A)	输出功率(W)	转换效率(%)
20.003	4.035	80.712	15.010	5.000	75.050	92.985
47.999	5.335	256.075	24.040	9.900	237.996	92.940
48.000	7.875	378.000	36.020	9.900	356.598	94.338
48.000	9.860	473.280	45.030	9.900	445.797	94.193
23.998	8.835	212.022	48.070	4.000	192.280	90.689
23.998	9.830	235.900	35.998	6.001	216.024	91.574
12.099	9.166	110.899	24.070	4.000	96.280	86.817
20.008	2.645	52.921	4.970	9.000	44.730	84.522
20.008	10.550	211.084	24.030	8.000	192.240	91.073
36.000	6.418	231.048	24.010	9.000	216.090	93.526
36.000	10.540	379.440	35.950	9.800	352.310	92.850

MOS管栅极波形

测试20V输入，24V输出时的各个MOS栅极波形。

BUCK电路上下管对地电压波形图：

BOOST电路上下管对地电压波形图：

元器件购买地址

这个项目用到的大部分元件购买地址都在这里：

0805电阻电容样品本：https://s.click.taobao.com/begdskt
STM32G474RE芯片：https://s.click.taobao.com/C5yYWlt
CH224K芯片：https://s.click.taobao.com/4t4bskt
CJAC80SN10 MOS管：https://s.click.taobao.com/aPsWWlt
EG3112芯片：https://s.click.taobao.com/1k9Zskt
220μF 63V 固态电容：https://s.click.taobao.com/n60Yskt
470μF 63V红宝石电容：https://s.click.taobao.com/WTRUWlt
GS8558运放：https://s.click.taobao.com/usSVskt
TPS54360芯片：https://s.click.taobao.com/r6lSWlt
SY8205芯片：https://s.click.taobao.com/GxMUskt
AMS1117芯片：https://s.click.taobao.com/mxASWlt
REF3033基准芯片：https://s.click.taobao.com/eOcTskt
W25Q64JVSSIQ芯片：https://s.click.taobao.com/QX7Tskt
CH340C芯片：https://s.click.taobao.com/QYRQWlt
3.3V有源蜂鸣器：https://s.click.taobao.com/sovPWlt
TypeC母座 16P：https://s.click.taobao.com/vjLRskt

建议在立创商城里购买元器件：https://activity.szlcsc.com/invite/D03E5B9CEAAE70A4.html

在立创开源链接里的BOM表那点立即到立创商城下单可将用到的元器件一键导入到购物车。

资料下载地址

下面链接包含的资料有：立创EDA工程、原理图PDF文件、各个芯片的数据手册、源代码工程压缩包、一些参考的程序代码。

123云盘不限速下载地址：https://www.123pan.com/ps/2Y9Djv-8yevH.html

百度网盘下载地址：https://url.zeruns.tech/MW2d1

项目程序Gitee开源地址：https://gitee.com/zeruns/STM32-Buck-Boost

项目程序GitHub开源地址：https://github.com/zeruns/Synchronous-Rectification-Buck-Boost-Digital-Power-Supply-Based-on-STM32

求点个Star和点个赞。

已知存在的问题

辅助电源中的SY8205芯片在低负载时会进入PFM模式，频率较低，从而产生了轻微的噪音。
恒流模式的PID控制程序写的不行，只有在纯电阻负载下恒流才稳定。（恒压模式没有问题）

其他开源项目推荐

做了个三相电量采集器开源出来，可以方便监测家里用电情况：https://blog.zeruns.tech/archives/771.html
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沁恒CH32V307VCT6最小系统板开源：https://blog.zeruns.tech/archives/726.html
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基于HT32F52352的智能电子负载开源，合泰杯作品开源：https://blog.zeruns.tech/archives/784.html

亲爱的混蛋 · 发表于 2024-6-7 14:26:59

wqwq212 · 发表于 2024-6-7 14:29:16

感觉比较复杂，专业使用。

邪恶海盗 · 发表于 2024-6-7 14:43:48

表示完全看不懂,围观大佬...

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王丁丁88 · 发表于 2024-6-7 14:50:53

先不说产品做的怎么样，就这描述水平，排版舒适性，望尘莫及啊。给大佬支持！！！

飞向狙沙 · 发表于 2024-6-7 15:04:38

一直有点没想明白数字控制的优势是是很么，受限于ADC的速度，频率很难提上去吧，而且单片机的成本也更高，用现成的控制芯片+单片机外围频率上限也高的多，单片机只提供个控制电压，相对来说对单片机要求也低得多

单纯讨论，不喜勿喷

zeruns · 发表于 2024-6-7 15:11:34

飞向狙沙发表于 2024-6-7 15:04
一直有点没想明白数字控制的优势是是很么，受限于ADC的速度，频率很难提上去吧，而且单片机的成本也更高， ...

STM32G4系列有HRTIM定时器，PWM频率可以上到几百KHz都没问题，ADC采样率最高也有5Msps，完全够用，数字控制比较灵活，修改一下算法就可以实现不同的效果，现在很多大功率的服务器电源都已经采用数字控制的方式了，一般用TI的C2000系列DSP比较多

zeruns · 发表于 2024-6-7 15:14:01

飞向狙沙发表于 2024-6-7 15:04
一直有点没想明白数字控制的优势是是很么，受限于ADC的速度，频率很难提上去吧，而且单片机的成本也更高， ...

AI回答：
数字电源的意义在于它将传统的模拟电源控制技术与现代的数字信号处理技术相结合，从而带来了设计和性能上的显著提升。尽管您提到的关于ADC采样速度和单片机成本的问题确实存在，但数字电源的诸多优势往往能够超过这些局限，具体包括但不限于以下几点：

1. **灵活性和可编程性**：数字电源的核心优势之一是其高度的灵活性和可编程性。设计师可以通过软件调整电源参数，如输出电压、电流限制、保护设置等，无需更改硬件，这大大缩短了设计周期，提高了产品的适应性和升级能力。

2. **精确控制与校准**：数字控制系统能够实现更精细的控制分辨率和更准确的参数调节，从而提供比模拟系统更高的稳定性和精度。通过算法，可以实时补偿温度变化、老化效应等，保证电源性能的一致性。

3. **集成化与模块化设计**：数字电源通常集成了更多的功能模块，如监控、保护、通信等，且这些功能可以通过软件配置启用或禁用，减少了外部元器件的数量，简化了系统设计，降低了整体尺寸和成本。

4. **智能管理与远程监控**：数字电源便于实现远程监控和故障诊断，通过数字接口（如I2C, SPI, PMBus等）与上位机通信，可以在系统层面进行电源管理，及时响应故障，提高系统可靠性和维护效率。

5. **适应复杂环境与动态负载**：数字控制算法能快速响应负载变化和环境条件变化，通过实时调整控制策略来优化电源性能，这对于需要快速动态响应的应用尤为重要。

关于ADC速度和单片机成本的考虑：
- **ADC速度**：虽然早期ADC的采样率可能限制了数字电源的工作频率，但随着技术进步，高速ADC和高性能单片机的出现已经大幅提升了数字电源的工作频率，使得它们能够应用于更广泛的高频场合。
- **成本问题**：的确，相比于纯粹的模拟方案，采用单片机或DSP的数字电源设计初期成本可能会更高，但这被其带来的长期效益所抵消，比如更少的硬件调整成本、更快的上市时间和更强的产品竞争力。而且，随着半导体技术的发展，MCU和DSP的价格逐渐降低，这一劣势正在减小。

总结来说，数字电源的意义在于它通过数字化控制实现了更高的性能、更强的灵活性和更好的系统集成性，虽然在某些方面存在挑战，但其综合优势在很多应用中远超传统模拟电源，是现代电源技术发展的重要趋势。