一.前言根据之前的四开关Buck-Boost拓扑文章那么现在我将从零到一设计一个DCDC电源。 文章具体四开关Buck—Boost拓扑讲解_四开关单电感buckboost讲解-CSDN博客二.摘要本文设计一款 USB-PD 输入的数控直流电源主控选用 GD32F103RET6当然这个芯片对于这个产品来讲戳戳有余如果想降低成本完全可采用其他芯片我是为了了解国产芯片的代码所以选用这个芯片功率控制器采用宝砾微 PL5501 四开关同步 Buck-Boost 拓扑。本设计简化控制算法采用单环 PID输出电压可调范围 2~30V硬件分层保护适用于实验室恒流供电、元器件老化测试等场景。整机由 PD 诱骗模块、功率变换主回路、主控采块电路构成兼顾稳定性与调试难度。输入功率100W,输出功率最高可达70W(效率70%。三.总体方案架构与选型重点元器件选型后续均围绕这些来设计电路GD32F103RET6,CH224K,PL5501,两个SCT2330TVRBSbuck降压两个ME6211(LEO)INA226(电流采集。通过PD 20V 诱骗输入模块、PL5501 四开关 Buck-Boost 功率主回路、GD32 主控模块、电压电流采样来实现数控功能。PD 诱骗单元CH224K 完成标准 USB-PD 20V 档位协商为后级功率回路提供稳定输入采用 C to C 带 E‑Marker 线缆实现可靠 PD 握手功率拓扑单电感四开关同步 Buck-Boost可实现升压、降压变换满足 2~30V 宽电压输出范围主控单元GD32F103RET6 采集输出电流采样数据运行单环 PID 闭环芯片输出 PWM 经 RC 滤波送入 PL5501 VADJ 引脚VADJ 用于调节输出电压采样保护单元INA226 采集输出电压、电流PL5501 硬件限流作为底层兜底MCU 软件实现精准恒流控制。核心设计思路电压由 PL5501 硬件环路调节电流采用 MCU 单环 PID 闭环省去电压外环降低算法调试工作量。四.硬件电路详细设计原理图参考重点供电电路设计2个Buck电路2个LDO电路1个四开关Buck-Boost电路GD32最小系统。下面是我设计的原理图我们一步步来拆解它1. PD 输入诱骗电路CH224K 配置CFG1 接地、CFG2 接芯片 VDD (3.3V)、CFG3 接地固定协商 PD 20V。 ⚠️关键约束仅支持 Type‑C 口标准 PD 充电器搭配带有E-Maker的c to c数据线。cc1与cc2最好各串联5.1K的电阻接地 。(如果设计不通可以买专门的诱骗模块搞定2.Buck降压回路依据之前我介绍的讲解通过SCT2330TVRBS降压芯片来完成设计这里电感我选择100uh。承接PD 20V高压输入通过同步降压芯片将高压转换为稳定5V电压为后续LDO电路、INA226采样芯片、PD诱骗模块提供基础工作电源。该Buck电路具备输入高压适配、过载保护、低纹波输出特性规避了高压直接供电带来的器件烧毁、电压波动问题为整机辅助系统提供可靠前置供电保障。3.LDO回路选用ME6211芯片来完成设计LDO线性稳压电路作为精准供电单元将Buck电路输出的5V电压进一步稳压滤波输出纯净3.3V电压专门为GD32主控、I2C通信、ADC采样、PID控制等精密弱电模块供电。相较于开关电源LDO电路输出电压纹波极低、无高频干扰彻底避免开关电源噪声对高精度电压电流采样、闭环PID调节造成的数值漂移与控制抖动问题大幅提升整机调压精度与系统稳定性。4.PL5501 功率主回路设计PL5501 为单电感四开关 Buck-Boost 控制器外围器件参数核算如下功率器件NCE40H12K40V 耐压低内阻 MOS 管降低导通损耗功率电感选用 6.8µH饱和电流满足峰值工况防止磁饱和电感的具体计算公式为电流采样Kelvin 四线采样输入采样电阻 R310mΩPL5501 内置 V_ISAT40mV硬件限流 \(I40mV/10mΩ4A\)保护 PD 适配器、输入线材防止前级过载输出采样电阻 R145mΩ硬件硬限 8A预留安全余量。调压调流引脚VADJ 接收 GD32 PWM 滤波模拟电压调节输出电压,实现调压闭环IADJ 引脚固定配置不参与软件闭环控制。5.GD32F103RET6 系统ADC采集电位器信号设定目标输出电压PWM两路 PWM 输出RC 滤波后分别接入 VADJI2C驱动 INA226读取实时输出电压、电流GPIO控制 PL5501 EN 引脚实现功率回路使能 / 关断。6. 四层 PCB 布局pcb布局也有讲究功率线最好20mil保证输入输出的稳定性在此我只放我的顶层走线具体4层板内部与底层均在我开源的文件中请自行考察。五.软件控制方案单环 PID Keil MDK GD32 HAL 库完成工程配置、编译、在线调试与烧录。本设计仅使用电压单环 PID 闭环无电流闭环当然硬件层面完全运行双环pid控制电流电压为防止出错我在此只使用单环pid用户通过电位器设定目标输出电压GD32 读取 INA226 采集的实际输出电压运行单环 PID运算结果转换为 PWM 占空比RC 滤波后送入 PL5501 的 VADJ形成稳压闭环实时读取输出电流计算实时输出功率若功率70W自动下调目标输出电压实现最大功率钳位 70WIADJ 固定电平不参与软件调节电流仅做监测不做恒流控制。主程序执行流程上电初始化ADC、I2C、PWM 外设初始化PID 参数初始化拉高 EN 使能 PL5501数据采集ADC 读取电位器设定电压INA226 读取实时输出电压、电流功率判定计算输出功率超过 90W 则降低目标电压限制输出功率单环 PID 运算对比目标电压与实际采样电压更新 PWM 占空比输出至 VADJ 完成稳压调节故障判定触发过压、硬件过流保护时拉低 EN 关闭功率输出循环迭代持续闭环调节。六.整机性能指标整机实测输出电压可在 2~30V 平滑连续调节负载变化时电压单环 PID 可快速抑制电压波动稳压效果良好当负载增大使得输出功率接近 70W 时电源自动降电压限功率不会超出额定上限短路工况下 PL5501 触发打嗝保护硬件兜底安全可靠。输出三路3.3V / 5V / 可调电压7.总结以上是我独立设计的一款DCDC数控电源本项目我直接开源大家可以自行下载制作对新手比较友好可以锻炼自己的硬件和软件动手能力成本在100元作用目前功率最大70W。其实想提升功率很简单只需要在电路版上将R3 由 10mΩ 改焊为 8mΩ这样输出可接近90W。我是为了保险才降功率代码实在写不来也可以多用用AI agent。整体而言本数控电源完成了从理论参数核算、硬件匹配修正、协议原理辨析、控制算法精简、功率极限定标到最终稳定落地的完整工程优化是一套适配自身硬件、逻辑自洽、可靠性高的小型宽压数控直流电源方案。开源文件在这链接https://pan.quark.cn/s/d4375bbe715d提取码Xr1S 复合数控电源
一.前言根据之前的四开关Buck-Boost拓扑文章那么现在我将从零到一设计一个DCDC电源。 文章具体四开关Buck—Boost拓扑讲解_四开关单电感buckboost讲解-CSDN博客二.摘要本文设计一款 USB-PD 输入的数控直流电源主控选用 GD32F103RET6当然这个芯片对于这个产品来讲戳戳有余如果想降低成本完全可采用其他芯片我是为了了解国产芯片的代码所以选用这个芯片功率控制器采用宝砾微 PL5501 四开关同步 Buck-Boost 拓扑。本设计简化控制算法采用单环 PID输出电压可调范围 2~30V硬件分层保护适用于实验室恒流供电、元器件老化测试等场景。整机由 PD 诱骗模块、功率变换主回路、主控采块电路构成兼顾稳定性与调试难度。输入功率100W,输出功率最高可达70W(效率70%。三.总体方案架构与选型重点元器件选型后续均围绕这些来设计电路GD32F103RET6,CH224K,PL5501,两个SCT2330TVRBSbuck降压两个ME6211(LEO)INA226(电流采集。通过PD 20V 诱骗输入模块、PL5501 四开关 Buck-Boost 功率主回路、GD32 主控模块、电压电流采样来实现数控功能。PD 诱骗单元CH224K 完成标准 USB-PD 20V 档位协商为后级功率回路提供稳定输入采用 C to C 带 E‑Marker 线缆实现可靠 PD 握手功率拓扑单电感四开关同步 Buck-Boost可实现升压、降压变换满足 2~30V 宽电压输出范围主控单元GD32F103RET6 采集输出电流采样数据运行单环 PID 闭环芯片输出 PWM 经 RC 滤波送入 PL5501 VADJ 引脚VADJ 用于调节输出电压采样保护单元INA226 采集输出电压、电流PL5501 硬件限流作为底层兜底MCU 软件实现精准恒流控制。核心设计思路电压由 PL5501 硬件环路调节电流采用 MCU 单环 PID 闭环省去电压外环降低算法调试工作量。四.硬件电路详细设计原理图参考重点供电电路设计2个Buck电路2个LDO电路1个四开关Buck-Boost电路GD32最小系统。下面是我设计的原理图我们一步步来拆解它1. PD 输入诱骗电路CH224K 配置CFG1 接地、CFG2 接芯片 VDD (3.3V)、CFG3 接地固定协商 PD 20V。 ⚠️关键约束仅支持 Type‑C 口标准 PD 充电器搭配带有E-Maker的c to c数据线。cc1与cc2最好各串联5.1K的电阻接地 。(如果设计不通可以买专门的诱骗模块搞定2.Buck降压回路依据之前我介绍的讲解通过SCT2330TVRBS降压芯片来完成设计这里电感我选择100uh。承接PD 20V高压输入通过同步降压芯片将高压转换为稳定5V电压为后续LDO电路、INA226采样芯片、PD诱骗模块提供基础工作电源。该Buck电路具备输入高压适配、过载保护、低纹波输出特性规避了高压直接供电带来的器件烧毁、电压波动问题为整机辅助系统提供可靠前置供电保障。3.LDO回路选用ME6211芯片来完成设计LDO线性稳压电路作为精准供电单元将Buck电路输出的5V电压进一步稳压滤波输出纯净3.3V电压专门为GD32主控、I2C通信、ADC采样、PID控制等精密弱电模块供电。相较于开关电源LDO电路输出电压纹波极低、无高频干扰彻底避免开关电源噪声对高精度电压电流采样、闭环PID调节造成的数值漂移与控制抖动问题大幅提升整机调压精度与系统稳定性。4.PL5501 功率主回路设计PL5501 为单电感四开关 Buck-Boost 控制器外围器件参数核算如下功率器件NCE40H12K40V 耐压低内阻 MOS 管降低导通损耗功率电感选用 6.8µH饱和电流满足峰值工况防止磁饱和电感的具体计算公式为电流采样Kelvin 四线采样输入采样电阻 R310mΩPL5501 内置 V_ISAT40mV硬件限流 \(I40mV/10mΩ4A\)保护 PD 适配器、输入线材防止前级过载输出采样电阻 R145mΩ硬件硬限 8A预留安全余量。调压调流引脚VADJ 接收 GD32 PWM 滤波模拟电压调节输出电压,实现调压闭环IADJ 引脚固定配置不参与软件闭环控制。5.GD32F103RET6 系统ADC采集电位器信号设定目标输出电压PWM两路 PWM 输出RC 滤波后分别接入 VADJI2C驱动 INA226读取实时输出电压、电流GPIO控制 PL5501 EN 引脚实现功率回路使能 / 关断。6. 四层 PCB 布局pcb布局也有讲究功率线最好20mil保证输入输出的稳定性在此我只放我的顶层走线具体4层板内部与底层均在我开源的文件中请自行考察。五.软件控制方案单环 PID Keil MDK GD32 HAL 库完成工程配置、编译、在线调试与烧录。本设计仅使用电压单环 PID 闭环无电流闭环当然硬件层面完全运行双环pid控制电流电压为防止出错我在此只使用单环pid用户通过电位器设定目标输出电压GD32 读取 INA226 采集的实际输出电压运行单环 PID运算结果转换为 PWM 占空比RC 滤波后送入 PL5501 的 VADJ形成稳压闭环实时读取输出电流计算实时输出功率若功率70W自动下调目标输出电压实现最大功率钳位 70WIADJ 固定电平不参与软件调节电流仅做监测不做恒流控制。主程序执行流程上电初始化ADC、I2C、PWM 外设初始化PID 参数初始化拉高 EN 使能 PL5501数据采集ADC 读取电位器设定电压INA226 读取实时输出电压、电流功率判定计算输出功率超过 90W 则降低目标电压限制输出功率单环 PID 运算对比目标电压与实际采样电压更新 PWM 占空比输出至 VADJ 完成稳压调节故障判定触发过压、硬件过流保护时拉低 EN 关闭功率输出循环迭代持续闭环调节。六.整机性能指标整机实测输出电压可在 2~30V 平滑连续调节负载变化时电压单环 PID 可快速抑制电压波动稳压效果良好当负载增大使得输出功率接近 70W 时电源自动降电压限功率不会超出额定上限短路工况下 PL5501 触发打嗝保护硬件兜底安全可靠。输出三路3.3V / 5V / 可调电压7.总结以上是我独立设计的一款DCDC数控电源本项目我直接开源大家可以自行下载制作对新手比较友好可以锻炼自己的硬件和软件动手能力成本在100元作用目前功率最大70W。其实想提升功率很简单只需要在电路版上将R3 由 10mΩ 改焊为 8mΩ这样输出可接近90W。我是为了保险才降功率代码实在写不来也可以多用用AI agent。整体而言本数控电源完成了从理论参数核算、硬件匹配修正、协议原理辨析、控制算法精简、功率极限定标到最终稳定落地的完整工程优化是一套适配自身硬件、逻辑自洽、可靠性高的小型宽压数控直流电源方案。开源文件在这链接https://pan.quark.cn/s/d4375bbe715d提取码Xr1S