赛题要求

搭载屏幕显示电压电流数据参数；通过按键或旋钮进行参数设置；输入电压为 5~12V，输出电压与电流可调，具体参数如下：

电压输出范围：0～12V；
电压调整步进：0.1V；
电压测量精度：0.01V；
电流输出范围：0～2A；
电流调整步进：0.1A；
电流测量精度：0.01A。

设计摘要

本系统采用纯数字方案，以EG2104栅极驱动IC为核心，以STM32G474RBT6单片机为控制器，拓扑结构为四开关管的同步Buck-Boost，根据电压、电流输出采样，进行PID闭环控制，从而实现恒压或恒流输出。直流输入电压5-12V，系统输出直流电压0-12V可调、直流电流0-2A可调，步进电压0.1V、步进电流0.1A。系统搭载屏幕显示输出参数，显示精度0.01，支持用户触屏控制。输入输出接口使用XT30，输入支持过压保护、过流保护，输出支持过压保护、恒流自动切换。

系统方案

本系统采用双模态、四开关管的同步Buck-Boost拓扑结构作为升降压方案，通过改变单片机的PWM占空比，控制栅极驱动IC改变4颗NMOS的开关，从而获得用户要求的输出。

器件选型

主控

STM32G474RBT6，最高170 MHz主频，同时具有FPU单元。具有高精度定时器，此应用中输出的PWM频率为200kHz。G474带有可编程运放，所以无需设计外部电路，配置成电压跟随器，即可将内部运放用于电压采样。

MOSFET

因为是高频开关电路，所以MOS管的开关损耗和消耗功率不可忽略。应优先考虑栅极电荷较小、漏源导通电阻较小的MOS管。再根据输入电压，筛选漏源电压、驱动阈值电压小于EG2104供电电压的MOS管。最终，选择了 $\mathrm{ Q_{g \ typ} = 19 nC, \ V_{GS} = 10 V, \ R_{DS} = 3.1\ m \Omega }$ 的IRFH8318PbF。

屏幕

采用陶晶驰T1系列2.8寸串口屏，电阻触摸，与MCU仅通过串口DMA通信，减小对主要pid计算速度的影响。

辅助电源

由于需要适应5~12V输入需求，且要能带动屏幕，所以先用DC-DC一级降压至4.8V，再用LDO降至其他所需电压。为了增加模拟采样的精准度，使用了TPS7A20作为模拟3.3V的降压IC，和精密、低压差的REF3025作为模拟2.5V的降压IC。

电感

降压时

已知公式

$L_{buck} = \frac{V_{OUT} \times (V_{IN} - V_{OUT})}{V_{IN} \times \Delta I_L \times F_{SW}} = \frac{V_{OUT} \times \left( 1 - \frac{V_{OUT}}{V_{IN}} \right)}{\Delta I_L \times F_{SW}}$

$\Delta I_L = \gamma I_{OUT}$

式中， $\mathrm{ F_{SW} }$ 是开关频率，本系统使用 200kHz， $\mathrm{ \Delta I_L }$ 是电感的交变电流， $\mathrm{ \gamma }$ 是交变系统系数，这里选取 $\mathrm{ \gamma = 0.3}$ 。根据公式可知，当 $\mathrm{ V_{IN} }$ 不变， $\mathrm{ V_{OUT} = 0.5 \times V_{IN} }$ 时， $\mathrm{ L_{buck} }$ 得最大值。参考题目中 5V 的输入，这里选取 $\mathrm{ V_{IN} = 5V, V_{OUT} = 2.5V}$ ，代入公式计算得 $\mathrm{ \Delta I_L = 0.3 \times 2A = 0.6A, L_{buck} = \frac{2.5V \times (5V-2.5V)}{5V \times 0.6A \times 200kHz} = 10.42 \mu H. }$

然后，再根据公式计算 $\mathrm{ I_{LPK1} = I_{LOAD} + \frac{\Delta I_L}{2} }$ 计算电感峰值电流，得 $\mathrm{ I_{LPK1} = 2A + \frac{0.6A}{2} = 2.3A. }$

升压时

已知公式

$\Delta I_L = \gamma I_{IN} = \gamma \frac{I_{OUT} \times V_{OUT}}{V_{IN}}$

$L_{boost} = \frac{V_{IN} \times (V_{OUT} - V_{IN})}{V_{OUT} \times \Delta I_L \times F_{SW}} = \frac{V_{IN}^2 \times (V_{OUT} - V_{IN})}{\gamma I_{OUT} \times V_{OUT}^2 \times F_{SW}}$

相似地，取 $\mathrm{V_{IN} = 5V}$ ， $\mathrm{V_{OUT} = 12V}$ 代入数据计算得 $\mathrm{\Delta I_{L2} = 0.3 \times \frac{2A \times 12V}{5V} = 1.44A}$ ， ${\mathrm{L_{boost} = \frac{(5V)^2 \times (12V - 5V)}{0.3 \times 2A \times (12V)^2 \times 200kHz} = 10.13\mu H} }$