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数字控制型四开关管Buck-Boost变换器DIY

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沧海一粒
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  • 2019-8-15 00:03:12
继倒腾完IP6518后,最近又想做一个给蓄电池充电的升降压变换器,希望输出电压能兼顾铅酸和锂电,输出电流最大到20A,采用数字闭环控制。
设计输入参数如下:
1、输入参数:5 - 60V @ 20A MAX
2、输出参数:1.8 - 56V @ 20A MAX
3、开关频率:220kHz
4、通信接口:CAN / 485
5、调压方式:数字给定
6、限流方式:数字给定,峰值电流限制模式
今天开贴,接下来会持续更新,请各位看官多多指教哈!
沧海一粒
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高级工程师
  • 2019-8-17 23:35:02
 
继续更新,放上功率部分的原理图 Buck-Boost功率回路.png
沧海一粒
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高级工程师
  • 2019-8-21 22:32:45
 
2019.08.21更新:反激辅助电源设计

一、基本输入输出参数
辅助电源输入电压:10 ~ 56V
输出电压: 5V @ 0.4A; 5V@ 0.2A; 12V @ 0.1A,设计总输出功率为5W
其中5V@0.4A输出组经线性稳压器降压后,为逻辑单元供电,
包括数字电源控制芯片STM32F334、WiFi模块NODEMCU(调试用)、3.2寸串口屏。

二、反激变换器设计
反激变换器设计为临界工作模式,r = 2,方便进行环路补偿, 开关频率为100kHz
a.反激变压器参数确定
1、选择合适的VOR
由于系统最大输入电压为56V,在这里选择耐压为120V的NCEP1212AS
,100℃时电流为8A,粗略估算,满足电流要求。稳压二极管耐压为60V,暂未选择型号。
设定VOR = 0.7Vzener,即42V。当输入电压为10V时,占空比最大,Dmax = 42 / (10 + 42)  = 0.8077
2、计算匝比n(n = Np/Ns)
定义n1、n2、n3分别为原边绕组与副边5V 5V 12V绕组的匝比,
因为"副边绕组电压 = 对应绕组整流后输出电压 + 二极管压降",
所以5V输出绕组与原边对应匝比为 n1 = n2 = 42 / (5 + 1) = 7,
12V输出绕组与原边对应匝比为n3 = 42 / (12 + 1) = 3.23,二极管压降定为1V
3、计算最大占空比
预估电源在10V输入电压下的满载效率为0.7,按此参数计算, 输入电流 = 5W / 10V / 0.7 = 0.714A
将输出功率等效到5V单输出绕组,此时Io = 5W / 5V = 1A ,根据匝比,Ior = 1 / 7 = 0.1429A
实际最大占空比 Dmax = 0.714 / (0.714 + 0.1429) = 0.83
4、计算原边最大电感量
L = V*Ton/△I, 其中 V = 10V, Ton = Dmax / fsw, △I = Ior / (1 - Dmax),
代入计算得原边电感量为48.6uH
5、选择合适的磁心
根据公式 Ve = 效率 * (2 + r)^2/r*Pin / f cm3计算出磁心Ve为400mm3,选择EFD15磁心,
磁心材料为PC40。
6、计算原副边匝数
根据公式Bmax  = L* Ipk / (N * Ae)计算原边匝数, 其中Bmax定在0.2T左右,通过EXCEL计算出原边匝数为28,副边匝数分别为4 , 4, 8
7、计算磁心气隙
根据L = 1/z * u0 * ur *Ae / le * N^2,z = (ur * lg + le) / le 计算气隙,
lg =  (u0 * ur *Ae / le * N^2 / L * le - le) / ur = 0.28mm,其中ur = 1600, Ae , Le对应磁心Ae , Le, N为原边匝数, L为原边电感量(先前计算值)
8、选择合适的导线
集肤深度 = 60 / sqrt(f) = 0.19,根据表中推荐值选择AWG25号漆包线,直径0.44 ~ 0.45mm, 对应截面积为0.159mm
电流密度为6A/mm2
原边峰值电流中心值为 0.1429 / (1 - Dmax) = 0.857A, 对应导线截面积需求为 0.857  / 6 = 0.145mm2 < 0.159mm,满足要求
考虑到实际工作时,温升要求不高,因此定副边5V 5V 12V导线股数分别为2、 1、 1
9、选择合适的绕组层叠结构
目前还没买到磁心、骨架和铜线,因此先做个这样的设想
a.原边绕组分为2个,一个在最内,一个在最外;
b.副边5V,0.4A绕组在内二层,12V在内三层, 5V,0.2A在内四层,如下图示
反激绕法.png
附计算表
留白MINTYPEMAX备注列1
VIN/V1060
VMOS_D/V120
Vzener/V60
VOR/V42
D(theory)0.4117647060.807692308
5V输出电压/V5
12V输出电压/V12
二极管压降/V1
5V绕组匝比7
12V绕组匝比3.230769231
总输出功率/W5
5V等效IO/A1
5V等效IOR/A0.142857143
效率0.70.8
输入电流/A0.714285714
实际占空比0.8333333330.857142857
Fsw1.00E+05
Ton/us8.33E+00
Et/V*us8.33E+01
rriple ratio0.52.00E+00
△ILp(DCM)0.4285714291.71E+00
ILOPK(DCM)36.00E+00
Lp4.86E+011.94E+02MIN为临界模式电感值
Ls(5V)9.92E-013.97E+00MIN为临界模式电感值
Ls(12V)4.66E+001.86E+01MIN为临界模式电感值
Ve/mm34.00E+02TYPE为临界模式Ve值
磁心参数
列1
列2
列3
列4
型号
EFD15
骨架5+5_SMD
Ve/mm3
510
Ae/mm2
15
Le/mm
34
Np
28
Bmax/T
1.98E-01
Ns_5V
4
Ns_12V
8.666666667
8
0.000787763
Vo_12/V
11
ur
1600
Lg/mm
0.28
z
14.17647059
Lp/uH
4.91E+01
导线参数列2列3列4列5
集肤深度/mm0.19
导线直径/mm0.38  0.45AWG25/320cmil
导线截面积/mm0.159043128
载流密度/(A/mm2)5
单根导线载流量/A0.79521564
原边股数1
副边5V股数4
副边5V_CAN股数1
副边12V股数1

三、电路设计
待画图
沧海一粒
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高级工程师
  • 2019-8-24 22:57:49
 
2019.08.24更新继上次计算出变压器参数后,就开始画原理图,今天简单介绍一下控制部分原理图。
欢迎感兴趣的朋友在下方留言点赞 ~
一、辅助电源

辅助电源

辅助电源

设计思路:
1、辅助电源使用反激拓扑,目的是提供一个隔离的5V用于CAN通信VCC电源;
12V是用于MOS驱动,允许电压偏移较大,5V输出后端接线性稳压,因此
这两路可以允许输出电压有较大偏差,故选择5V_ISO做反馈;
2、电源芯片使用3843,工作电压可以低到10V;
3、3843原边供电使用一个简单的线性稳压器预调整,规避输入电压较低时
使用电阻直接串联降压所导致的芯片反复打嗝的问题;
4、使用EFD15贴片骨架,方便焊接。
二、采样接口电路

采样部分

采样部分

设计思路:
1、电流信号直接使用电流采样运放进行处理,差分输入
2、电压采样信号采用普通运放进行差分放大,这里的增益小于1,可能会有问题
3、与功率板的接口采用2mm间距的直插排针,单个信号走两针,提高可靠性
三、控制及通信电路

控制及通信部分

控制及通信部分

设计思路:
1、采用STM32单片机进行电流电压采样及控制,拟用电压PID + 开关管峰值电流限制模式;
2、底层配置代码由代码生成工具自动生成;
3、预留2个串口、1个CAN通信接口、预留SWD仿真下载接口;
4、预留EEPROM,准备在电源工作时记录相关数据,以备调试和故障排查用;
5、预留WiFi接口,方便进行远程遥控,调试和数据回传。

今天就更新到这里了,欢迎你来拍砖哈~

KONSITA
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  • 2019-9-4 18:35:06
 
请教一下:同STM32的哪个芯片做到220KHz,PWM的精度是多少啊。谢谢
沧海一粒
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高级工程师
  • 2019-9-8 21:54:53
 
STM32F334C8T6,HRTIM: 6 x16-bit counters, 217 ps  

沧海一粒
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高级工程师
  • 2020-6-13 14:09:46
 
2020.06.13根据第一版中遇到的问题,调整了电路设计
一.辅助电源部分
1.辅助电源预稳压电路三极管引脚位置调整,稳压二极管由10V改为13V;
2.在调整过程中,发现由变压器交叉调整率的缘故,发现WiFi模块和液晶屏开始工作后,5V输出就不稳了,所以现在直接将5V_AUX与5V并联在一起,下次改版会以5V输出作为反馈,5V_ISO由三端调整器进行稳压,12V稳压保持现在的设计方式,在输出由RZ方式进行电压嵌位;
3.WiFi模块单独用一个线性稳压器进行稳压,并增加3.3V输出端电容,以提升瞬态带载能力;
4.反馈回路改动较大,此前的环路适用于内部有上拉电阻的结构,不适用于384x。
V1.1辅助电源.png
二.信号处理部分
1.OCP模块改为单片机内置比较器,可以自定义限流值,也省去了外围比较器;
2.单片机内置运放用于采样放大,差分走线,1/2基准偏压。
V1.2信号处理.png
三.MCU及接口电路
1.WiFi模块单元电路改进,增加串口通信自动复位电路,可以通过8芯串口下载线更新程序;
2.硬件接口处接3.3VTVS二极管,增强单板抗静电能力;
3.MCU IO接口做了适当修改.
V1.1控制单元.png
四.PCB与实物
信号板PCB.png

上图为改版后的PCB,挖空了变压器和WiFi天线部分,下为实物
实物1.jpg 实物2.jpg 实物3.jpg
目前,硬件搭建已完毕,简答打了辅助电源的波形,较稳,无大小波;
MCU和WiFi模块都能正常下载程序,整板上电也无短路的情况,后续将进行软件相关的操作。
MCU主软件拟在FREERTOS上进行开发,WiFi模块使用micropython软件平台。
MCU与WiFi模块进行通信,变换器运行信息将记录在服务器,可通过手机端进行查看或配置电压电流信息。


沧海一粒
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高级工程师
  • 2020-8-9 23:00:29
 
2020.08.09更新
PS:因为手中有其他项目,最近才有空搞搞这个拓扑,这个周末熟悉了STM32的HRTIM模块,配合官方的应用手册、HAL库和CubeMX代码生成工具,总算将功率回路跑起来了,下面上ST的应用资料和库中例程截图

dm00121475-hrtim-cookbook-stmicroelectronics.pdf (911.33 KB, 下载次数: 40)
eastsnow001
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  • 2020-12-20 13:19:11
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牛啊!支持下。
沧海一粒
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高级工程师
  • 2021-1-14 17:12:12
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多谢!
kevin2016
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本网技工
  • 2020-9-7 23:04:48
  • 倒数9
 
楼主,您好!
有如下几个问题跟您请教下:
1、电流采样放在 功率MOSFET的S极与PGND之间,这里采样电阻中的电流有正有负(如工作在Buck模式,电阻中电流是负的;工作在Boost模式,电阻中电流是正的),那么采用MCU内部运放,如何实现对 负电流 负电流的放大呢?
2、MOSFET开关频率100KHz到220KHz,电流采样信号的频率也是这么高,这么高的频率,MCU内部的运放带宽够吗?会不会丢失呢?
3、VIN、VOUT信号经过运放后给到MCU内部ADC,为什么不使用ADC直接采集 电阻分压的信号呢?而要经过运放后再送到ADC呢?


非常感谢楼主!
l13787908861
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初级工程师
  • 2021-1-13 09:42:16
  • 倒数6
 
感谢楼主分享,可以好好学习了 。
沧海一粒
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  • 2021-1-14 17:12:44
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赞!
kidultbin
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  • 2019-9-4 14:13:46
 
输出56V最大电流也可以到20A么
沧海一粒
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  • 2019-9-8 21:51:59
 
设计保证,还待试验
stopower
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  • 2019-9-19 14:35:33
 
期待楼主更新!
沧海一粒
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  • 2019-9-26 22:13:41
 
好啊!
此山中
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助理工程师
  • 2019-10-8 09:15:24
 
最近刚好要做个Buck-Boost的充电器,拟采用双环最小值竞争的方式做。有时间可以多交流
沧海一粒
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  • 2019-10-12 16:33:24
 
可以,我的正在打板
杰小弟
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  • 2020-4-14 17:34:15
 
你好,请问完成测试了吗?
沧海一粒
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  • 2020-5-22 15:45:30
 
还没有呢,一直没工夫去弄它
linhainpu
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  • 2020-5-8 23:41:00
 
期待楼主更新!
雪后阳光
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初级工程师
  • 2020-5-26 21:49:04
 
老板继续啊
杰小弟
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高级工程师
  • 2020-6-4 21:35:39
 
期待更新
捞六啊
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LV2
本网技师
  • 2020-9-3 21:37:00
  • 倒数10
 
楼主,如果让这个电源持续工作在buck状态时,如何让电感后的上管一直保持开通呢?自举电容如果放完电不就不能再让管子正常导通了吗?求指教。
沧海一粒
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高级工程师
  • 2020-10-13 09:07:27
  • 倒数8
 
让电路工作在buck-boost模式即可
此山中
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助理工程师
  • 2021-2-2 11:55:49
  • 倒数3
 
恭喜楼主调试通过请问实测效率做到多少? VIn= Vout 的时候是怎么控制的?
沧海一粒
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  • 2021-2-7 11:06:21
  • 倒数2
 
24V转12V/5A效率大概是96%,VIN=Vout时工作在buck-boost
shun_tian
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初级工程师
最新回复
  • 2021-6-1 14:55:28
  • 倒数1
 
楼主,这个项目还在进行吗?
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