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【原创:DIY】+同步Buck数字电源学习板制作与测评

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westbrook
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LV8
副总工程师
  • 2021-10-25 13:45:17
早在2020年6月份的时候本人写过一篇《基于MCHP 16bit dsPIC33CK系列全数字电源入门同步Buck》的文章,具体链接请详见基于MCHP 16bit dsPIC33CK系列全数字电源入门同步Buck-综合电源技术-世纪电源网社区 (21dianyuan.com);里面就有提到一个指标是制作一个Demo板,但是由于种种原因一直没有得到进展,借着这次活动的机会,那就继续把这个工作做下去。当时的想法其实也很简单,能实现单电压环闭环控制就达到我的目的了。但是现在想法又有点改变了,想做一个控制更丰富的板子,主要集成电压控制模式峰值电流控制模式平均电流控制模式三种工作模式。
主要技术指标如下:
输入电压:9-18V;
输出电压:3.3V-5V;
输出电流:Iomax =2A;(根据功率大小还可以做适当调整)
其他辅助功能:
1.支持输入输出过压、过流保护;
2.支持USB-UART转换,方便通过图形化界面观察变量;
3.支持OLED显示;
4.支持CAN通信;
如果后续有必要,还可以借助上位机做一个Bootloader程序。

如果大家有兴趣,可以下载相关资料学习交流。

Code.zip

1.27 MB, 下载次数: 124, 下载积分: 财富 -2

手把手教你学数字电源系列#2 - MCC简介及安装.pdf

869.3 KB, 下载次数: 90, 下载积分: 财富 -2

手把手教你学数字电源系列#3 - 电压控制模式.pdf

3.16 MB, 下载次数: 166, 下载积分: 财富 -2

手把手教你学数字电源系列#1 - 开发环境介绍.pdf

2.48 MB, 下载次数: 112, 下载积分: 财富 -2

手把手教你学数字电源系列#4 - 峰值电流控制模式.pdf

3.72 MB, 下载次数: 125, 下载积分: 财富 -2

手把手教你学数字电源系列#5 - 平均电流模式控制.pdf

3.58 MB, 下载次数: 116, 下载积分: 财富 -2

世纪电源网-九天
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超级版主
  • 2021-10-25 15:18:51
 
非常期待接下来的分享呐!
westbrook
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LV8
副总工程师
  • 2021-10-25 18:39:25
 
原理图绘制的差不多了,开始进行PCB布局和绘制。这个原理图其实在之前也有绘制,主要进行了一些参数的调整和优化,具体原理图见附件。
westbrook
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LV8
副总工程师
  • 2022-1-18 17:25:08
 
评估板基本成型了,大家可以看一下。
2.jpg
westbrook
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LV8
副总工程师
  • 2021-10-26 18:56:55
 
今天把PCB摆弄了一下,差不多可以投板了。Gerber文件显示如下:

Gerber overview.png
PCB仿真示意图图下:
仿真图.PNG

tmcent
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LV10
总工程师
  • 2021-11-7 22:58:40
 
要是能做到多口同时输出就更好了,更实用。
Vegard137017878
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LV10
总工程师
  • 2021-10-27 14:17:08
 
哪些地方时安规和认证特别需要注意的呢?
westbrook
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LV8
副总工程师
  • 2021-10-27 17:00:37
 
我这部分不涉及安规和认证呀。
木木很-shy
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LV8
副总工程师
  • 2021-10-30 08:29:15
 
跟帖学习
sunlingsunhaiqi
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LV8
副总工程师
  • 2021-11-1 15:06:45
 
升级一下,把这个电源更改成可以给大电容或电池充电的充电器
westbrook
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LV8
副总工程师
  • 2021-11-1 21:41:35
 
暂定为学习板,回头有时间,咱们可以再考虑。
westbrook
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LV8
副总工程师
  • 2021-11-1 21:46:03
 
今天板子回来了,焊接了一部分,单电压环初步跑了一下,没问题。
PCB.jpg
PCBA.jpg
westbrook
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LV8
副总工程师
  • 2021-11-3 14:50:04
 
今天测试发现一个问题,就是在第一次上电测试OK,但是再次上电时发现输入源被限流了。我再想应该是哪里被短路了吧,检查发现是MOSFET Drive的7脚对地短路了,也就是下面这个图
MCP14700.png
在排查的过程中,每次都是这个现象,所以烧了不少的芯片
尸体.jpg
这不得不让我重新审视原理图哪里有问题,当初为了增加一个防反接的功能,在输入端增加了一个二极管。我在想是不是这个二极管引起的原因?因为1脚和7脚之间有个泵升电容C105,如果因为这个二极管阻止了这个泵升电容在下电时的能量泄放,会瞬间产生一个高电压将内部击穿。为了验证这个想法,我将二极管去掉,上电后我测试这个泵升电容两端的电压,是缓慢下降的,反复开关机驱动也没有损坏。我又重新换回二极管,发现这个泵升电容的电压瞬间就没有了,测试发现7脚对地短路。所以问题找到了,将二极管去掉换成0欧姆的电阻就OK了,回头还要仔细想想它的放电路径。
下面是正常工作的波形,输入电压12V/0.6A,输出电压3.3V
工作波形.jpg
Vegard137017878
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总工程师
  • 2021-12-3 15:24:31
 
做硬件一定要细心点啊,不然你懂的
fade
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本网技师
  • 2021-12-25 14:30:39
 
你好,请问用的什么手机型号拍的照?
westbrook
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LV8
副总工程师
  • 2021-11-4 14:39:57
 
今天把电压电环各种开关波形以及动态性能和环路带宽测试了一下开关波形和纹波电压

Siglent8.png
开关波形和纹波电压
Siglent5.png
开关波形和纹波电压
Siglent6.png
负载0.3A~3A进行跳变
Siglent4.png 环路扫频测试(还可以再优化)
VLoop Bode图.PNG



tmcent
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LV10
总工程师
  • 2021-11-7 22:57:55
 
输出3A的时候,管子温度能到多少度?这种应该是小电源,壳子小了担心发热太严重,建议测试一下。
westbrook
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LV8
副总工程师
  • 2021-11-8 08:19:17
 
选管子的时候余量比较大,导通电阻都是几毫欧的,工作一段时间我用手摸了一下,基本没啥热度
Karkar
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本网技师
  • 2022-4-13 10:45:57
 
测量环路纹波和这些图形是用示波器能测这么准吗?差分探头?还有就是那些波形分析是用什么工具做的?可否有教程
westbrook
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LV8
副总工程师
  • 2022-4-13 20:43:36
 
开关波形和纹波噪声是用示波器进行测量的,环路测试是用Bode100仪器测试的。
ruohan
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LV8
副总工程师
  • 2023-1-5 08:24:20
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环路扫频测试,
你这个工具是怎么做的,是在实际的电路上扫的,还是仿真器图纸上面扫的,,
westbrook
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LV8
副总工程师
  • 2021-11-18 09:32:57
 
这几天把峰值电流控制模式做了一下。
我们先看一下模拟的控制框图,如下图。具体原理是:误差电压信号Vc送至PWM比较器反相端后,并不是像电压模式控制那样与振荡电路产生的固定三角波电压斜坡比较,而是作为电感电流峰值的参考信号,电感电流波形可以是三角波,也可以是梯形波,当电感电流的峰值达到Vc的值,PWM关断。
峰值电流控制模式_s.png
下面的具体的实现波形,Clock信号作为PWM的开始,设置Clock频率为PWM工作频率,电感电流线性上升,达到Vc控制电压,PWM关断。上图红色为主开关管电流波形,蓝色虚线是同步开关管(二极管)电流波形。
波形图.png
峰值电流控制的小信号交流等效模型是设计电压控制器(外环)的基础,只有弄清楚了电流内环的小信号模型,才可以对电压外环进行参数的设计。在CCM控制模式中,占空比d(t)不仅受ic(t)控制,还受变换器的电压和电流的控制。因此,CCM型变换器是一个多输入单输出的控制系统。
小信号图.png
在进行小信号分析时,可以假定电感电流的平均值等于控制量ic(t),这个假定也就意味着忽略了电流谐波补偿和电感电流纹波的影响。在这个假定的基础上,电感电流不再是独立的状态变量。在小信号传递函数中,它也不再会产生一个极点,从而系统将简化为一阶系统。由于反馈信号电路与电压模式相比,减少了一阶,因此误差放大器的控制环补偿网络可以得到简化(比如电压模式需要采用3p3z补偿器,那么峰值电流控制模式采用2p2z就可以了),稳定度得到了提高并且改善了频率响应,同时还具有更大的增益带宽积。因此,在变换器的输出端,增益和相位是由并联的输出电容和负载电阻确定的。这样,电路最多只有90°相移和-20dB/十倍频的增益衰减而不是-40dB/十倍频的增益衰减。
下图是利用kp法获取的电压外环的Bode图:
Kp_Loop.png
系统相当于一个一阶系统,相移最大90°,增益穿越0dB时是以-20dB/十倍频,所以电压控制环一定是稳定的。我们可以看到系统直流增益只有20多个dB,所以需要提高低频增益,以减小稳态误差。可以提供一个零极点以此来提高低频增益,然后为了在穿越0dB之前需要抵消这个极点,还需要提供一个零点用来抵消极点的影响。然后增益曲线以-1斜率穿越0dB线。在高频段75kHz左右,由于电容ESR提供一个零点(这个在前面做电压模式控制环路补偿时有介绍过),使增益曲线变得比较平坦,所以需要在这里增加一个极点。然后再有输出电容在更高频段提供一个极点,用以衰减高频信号。


以上是利用模拟控制实现的方式,下面给大家介绍一下如何利用dspic实现同步buck的峰值电流控制模式。
峰值电流控制模式2.png
下面是利用MCU实现的具体过程:
MCU实现方式.png
最后,利用MCU实现的波形如下:
实现波形.png

westbrook
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LV8
副总工程师
  • 2021-11-19 10:49:01
 
利用dsPIC内部的高速模拟比较器模块做了一下峰值电流控制模式的次谐波振荡。
大家知道,峰值电流控制模式在占空比大于50%的时候会出现次谐波振荡的问题。主要是由两个原因引起,第一是峰值电流和平均电流比例的问题,如下
P1.png
由于直流输出电压与电感电流的平均值而非峰值成正比,直流输入电压较低时的电感平均电流值要比输入电压较高时的值大。输入电压降低,导通时间增加,输出电感的平均电流增加。所以当输入电压下降,电流内环使占空比增加,会造成直流输出电压过高;而反馈外环又使占空比减少,电压下降。这样,直流输出被反馈环反复调整形成振荡。这种情况出现在占空比大于50%情况下,如果小于50%,那么它会自动恢复。
另外一种是在占空比大于50%的时候,出现一个初始扰动电流,这样会导致后面的扰动不收敛而出现次谐波振荡
在占空比小于50%的时候,后面的偏移电流是变小的,如下:
P2.png
在占空比大于50%的时候,后面的偏移电流是变大的,如下:
P3.png
解决上述问题(斜率补偿)的方法是,在误差放大器的输出叠加一个斜率为-m的电压,选择合适的补偿斜率m,则输出电感的平均电流就和开关管的导通时间无关。图中显示的是电感电流的上升斜率m1和下降斜率m2。从电流模式的的原理我们知道,开关管导通时间从每个时钟脉冲前沿开始到开关管的电流信号电压达到误差放大器输出电压Vcp时结束。斜率补偿就是将一个从时钟脉冲前沿开始且斜率为-m的电压叠加到误差放大器的输出端。
P4.png
每个高速模拟比较器都自带一个DAC斜率补偿,所以我们可以利用它来进行斜率补偿
P6.png
最后是完成的斜率补偿前后的对比工作波形:
无斜率补偿波形:
次谐波震荡.png
增加斜率补偿:
次谐波震荡2.png


Vegard137017878
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总工程师
  • 2021-12-3 15:25:06
 
非常好的分享
SDMCU51
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本网技师
  • 2021-11-22 12:22:50
 
非常感谢你的分享
westbrook
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  • 2021-11-22 21:17:38
 
感谢支持!
DrAli
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  • 2021-11-29 08:44:54
 
请问有PCMC和ACMC的源代码可以下载吗
westbrook
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副总工程师
  • 2021-11-29 20:58:59
 
这个需要配套板子才有效,单独的代码感觉没有太大用,如果你需要,我可以邮箱发给你。
DrAli
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高级工程师
  • 2021-11-30 13:12:00
 
我的邮箱是x390cool@gmail.com,再麻烦你发给我了,谢谢。
westbrook
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副总工程师
  • 2021-11-30 21:38:16
 
发给你了,包括电压控制模式VMC,峰值电流控制模式PCMC和平均电流控制模式AMP/CT。
iloveu1234
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助理工程师
  • 2021-11-30 23:15:03
 
值得学习 好资料 谢谢
westbrook
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LV8
副总工程师
  • 2021-12-1 08:58:25
 
有些地方做了更改,又重新做了一版PCB
2021.11.29.PNG
stopower
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高级工程师
  • 2021-12-1 14:21:58
 
向楼主的学习精神和分享精神点赞
westbrook
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LV8
副总工程师
  • 2021-12-5 17:24:25
 
平均电流控制模式
平均电流模式控制相对于峰值电流模式控制来讲,它有峰值电流模式的所有优点:它们有相同的截至频率(峰值电流由于可以看成是一阶系统,所有有很高的截至频率);对于电流负载的变化,有相同的瞬态响应。在低于截至频率时,峰值电流模式控制的环路增益为平特性,一般为5-10.而对于平均电流模式控制来讲,它的增益是一直上升的,如果设计需要的话最终可以超过1000。这种低频时的高环路增益可以去除峰值对平均值的误差,而且能够保证轻载时电感电流进入DCM时的高的环路稳定性能。
由于直流输出电压与电感电流的平均值成正比,而平均电流模式控制是直接控制输出电感的平均电流,如果对电流环控制得当,那么就不会出现峰值电流模式控制中的次谐波振荡问题。因为在峰值电流模式控制中,峰值电流和平均电流的比例不同问题,会导致次谐波振荡。
page1.png
在图中,电感电流的交流成分与电流补偿网络输出电压的交流成分是反相的,它们是倒置的关系。当功率开关管关断时,电感电流是下降的,而电流补偿网络的输出电压确实增加的;而当功率开关管导通时,电感电流是上升的,电流补偿网络输出电压是下降的。当Vca=Vr时,功率开关管关断。
那么,在模拟控制系统中,平均电流控制模式两个环路该如何设计?
如果两个环路必须优化到最佳以便获得快速响应,那么两个环路再斜率匹配的时候需要考虑它们的相互作用(至于斜率匹配的问题,后面会做介绍)。在双环系统中,它只有一个PWM发生器。电流误差放大器的输出端Vca实际上与两部分有关,一个是通过电流检测电路检测到的电感纹波电流;另外一个是电感电流流过电容ESR,然后经过电压误差放大器放大后的电压误差信号。这两个三角波同相,这就需要调节电流误差放大器和电压误差放大器的增益,使它们的输出信号的斜率与锯齿波的斜率匹配,但这有不同的方法实现这一目的。
在双环系统中,电流环的闭环增益是电压环的开环增益的一部分。电流环的穿越频率之后会增加一个斜率为-1的极点到电压环。所以,为了减小这种相互作用,最好让电压环的穿越频率低于电流环的穿越频率。

下面是平均电流模式控制最佳误差放大器增益波形:
ACMC3.png ACMC4.png
在这个图中,如果增加电流补偿网络的增益,则会出现两种情况:
1.电流补偿网络输出电压Vca的最大值将超过锯齿波的峰值Vr(一般在模拟控制中,锯齿波的峰值Vr是其内部误差放大器的最大输出电压值),则放大器进入饱和工作状态,最大输出电压被钳位,由于内部误差放大器和外围电路组成了一个积分器,这个时候会出现阻塞现象。发生阻塞现象后,即使输入信号消失,误差放大器的输出电压也保持其最大值;(可以理解为积分器退饱和的问题)
2.即使没有出现阻塞现象,在功率开关管关断期间,电流补偿网络输出电压的波形将不会与锯齿波相交,这样就会导致次谐波瞬态不稳定。
在平均电流控制模式中,为了避免上述问题的发生,必须要求PWM比较器的两个输入信号的斜率满足:对于单极点系统,被放大的电感电流的下降斜率不能超过锯齿波的上升斜率,否则PWM比较器将不能正常工作。这个标准直接给出了电流补偿网络在开关频率处增益的上限值,并间接地给出了开环传递函数的穿越频率fc。通过这个标准在求取电流补偿网络在开关频率处的最大增益Gmax,可以得到平均电流模式控制的开关系统,它的电流控制环的控制对象是一个积分环节或近似积分环节,可以把它称为积分型控制对象。这样我们就可以采用一个简单的单零点-单极点网络进行补偿就可以了。
在平均电流模式控制中,斜率匹配问题是一个大信号问题。所以在设计平均电流模式的电流环时,应采用大信号设计。在系统设计时,大多数人们更多注意的是系统的小信号稳定性问题,而忽略了大信号稳定性问题。当斜率相同时,峰值也一定相同。这样,扰动在一个开关周期内就被消除掉。
下面是双环控制的框图:
ACMC5.png
下面是逐周期控制的双环。在常规实施中,电流和电压环在其单独的 ISR 中独立运行,为了防止电压环和电流环内部产生振荡,电流环的执行必须要在电压环执行完之后再进行。通过相同的采样频率执行两个环路来进行调整/对齐两个环路的带宽,但是会显著减小电压环的增益(前面有介绍,电流闭环作为电压开环的一部分,会在电流环穿越频率之后带来-1斜率的极点),这时电压回路处于过阻尼系统,可以防止其产生突然的跳跃,工作特性都还好。但是由于每个周期中执行两个环路,会导致CPU的负载比较高,限制了开关频率的提高。
ACMC6.png
频率高的情况下,不一定每个周期都可以执行完两个环路,电压环隔周期进行ISR执行,但是电感电流每个周期都采样,电压环执行完再去调用电流环的执行。
ACMC7.png
在MCU进行数字控制,由于资源受限制,就不得不考虑环路的计算频率。【计算频率快和慢的好处和坏处】
计算中断频率应该是考虑上面所说因素后的一个折中,一般我们可以选取在大于环路带宽10倍,小于“环路响应延时+AD采样转换时间”的倒数,然后在能够保证中断代码在一个周期内执行完的基础上越高越好。
除了计算频率,还要考虑ADC的采样频率以及采样时刻。
(1)AD采样频率选择
在数字控制中一般AD采样频率等于环路计算的频率,当然也可以大于环路计算频率,小于环路计算频率的话就会使得过高的计算频率没有必要。
(2)采样时刻
一般数字控制中希望反馈量能够在环路计算要用到时刚刚采样完,使得环路的相位延迟尽可能小,同时希望AD采样转换的时间能够包含在环路计算周期里面,这也是为了减小相位延迟。当然,这并不是必须的,
page2.png
最后做一下总结,关于平均电流控制模式的优缺点:
优点:
平均电感电流能够高精确地跟踪电流编程信号
不需要斜坡补偿,通过调节误差放大器增益,自动实现斜率匹配
固定锯齿波比较,能很好的避免电流误差电平的干扰,具有优越的电路抗噪声性能
缺点:
开关频率f_s处的增益受到限制
平均电流双环放大器带宽、增益等参数的配合设计调试相对复杂
增益受到限制主要是满足斜率匹配的问题,这个准则限制了电流误差放大器在开关频率处的最大增益,也间接地设置了最大电流环增益的穿越频率。这是优化平均电流模式控制环路设计首先需要考虑的地方。


wangdongchun
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专家
  • 2021-12-10 14:38:56
 
楼主的案例和经验之谈非常到位,特别是楼主能将各种波形图以及参数变量详细罗列出来,极具学习和借鉴意义!
westbrook
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LV8
副总工程师
  • 2021-12-15 19:42:28
 
关于数字电源入门以及实验板的测评,请参考https://space.bilibili.com/588597733
fade
  • fade
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LV2
本网技师
  • 2021-12-25 14:34:41
 
什么时候讲讲什么升级。
westbrook
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副总工程师
  • 2021-12-25 23:06:41
 
你说的Bootloader?
fade
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本网技师
  • 2022-1-21 16:07:00
 
是的,在线升级。
westbrook
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副总工程师
  • 2022-1-22 10:35:07
 
嗯,我在电子星球有写专题,你可以去查一下,也是这个ID。
weiwuxian
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本网技师
  • 2022-1-19 17:01:07
 
太牛了太牛了,正好我在这方面遇到一些问题
bjdykjPower
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本网技师
  • 2022-2-10 16:37:04
 
楼主的分享太好了,板子可以购买吗
westbrook
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副总工程师
  • 2022-2-13 12:37:51
 
这个应该是差不多最终的版本了。
Sync Buck成型板1.jpg
westbrook
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副总工程师
  • 2022-2-13 12:39:48
 
目前手工焊接了几块,没有批量打样,如果需要,可以私信我。
mingfeng.you
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本网技师
  • 2022-2-20 22:00:28
 
先收了,回头看看
yixiao2100
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高级工程师
  • 2022-4-16 10:37:03
 
不错,学习了!
mega1702
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副总工程师
  • 2022-4-18 08:22:23
 
感谢你的分享
purepath
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初级工程师
  • 2022-5-6 16:20:10
 
纹波可以做到1mv吗?
DrAli
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高级工程师
  • 2022-5-13 09:04:13
 
這個demo可以逆向同步boost嗎?
westbrook
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副总工程师
  • 2022-5-15 19:18:32
 
暂时没有这个功能
TP416775364
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初级工程师
  • 2022-6-10 15:07:00
 
楼主,板子出来了么?有购买连接没、、
westbrook
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副总工程师
  • 2022-6-12 15:38:48
 
ruohan
  • ruohan
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副总工程师
  • 2023-1-16 08:13:56
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能不能用STM32的芯片代替你这个主控芯片啊

dw772
  • dw772
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高级工程师
  • 2023-2-1 12:39:13
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能不能就看你的技术了
TRANSHUMAN
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本网技工
  • 2022-10-23 15:22:16
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感谢你的分享
会飞的拖拉机
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本网技师
  • 2022-12-6 07:21:27
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感谢分享!
飞翔Boss
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LV8
副总工程师
  • 2023-4-11 16:28:02
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这么好的东西 相见恨晚 谢谢分享
xiaoruanmei
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本网技师
  • 2023-4-21 15:30:52
  • 倒数4
 
111rthyuiop[
chinaboy20
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本网技师
  • 2023-5-1 21:19:13
  • 倒数3
 
非常期待接下来的分享!
lqwuliang
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助理工程师
  • 2023-6-9 09:04:58
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基于STM32F334数字控制的BUCK/BOOST直流变换器,开发板资料,原理图,软硬件设计报告、环路设计教程,电路元件参数计算、程序分析、BUCK/BOOST仿真,PI环路控制,详细视频教程,上位机软件、仿真模型。https://bbs.21ic.com/icview-3299096-1-1.html
紫陌纤尘
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助理工程师
最新回复
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